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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft einen Bildsensor.
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Ein
Bildsensor ist ein Halbleiterbauelement zum Umwandeln eines optischen
Bilds in ein elektrisches Signal. Der Bildsensor kann grob als ladungsgekoppelter
(CCD) Bildsensor und als Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Bildsensor
(CIS) klassifiziert werden.
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Der
CMOS-Bildsensor umfasst ein Fotodiodengebiet, das ein empfangenes
optisches Signal in ein elektrisches Signal umwandelt, und ein Transistorgebiet,
welches das elektrische Signal verarbeitet, wobei das Fotodiodengebiet
und das Transistorgebiet horizontal angeordnet sind.
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Bei
einem solchen horizontalen Bildsensor sind das Fotodiodengebiet
und das Transistorgebiet horizontal auf einem Halbleitersubstrat
angeordnet. Daher weist der horizontale Bildsensor eine Einschränkung beim
Ausdehnen eines optischen Erfassungsgebiets in einer begrenzten
Fläche
auf, wovon im Allgemeinen als von einem Füllfaktor gesprochen wird.
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Als
Alternative zum Überwinden
dieser Einschränkung
wurde versucht, eine Fotodiode unter Verwendung von amorphem Silizium
(Si) auszubilden, oder unter Verwendung eines Verfahrens wie Wafer-auf-Wafer-Bonden
eine Schaltung in einem Silizium-(Si)-Substrat
auszubilden und eine Fotodiode auf und/oder über der Schaltung auszubilden
(”dreidimensionaler
(3D) Bildsensor” genannt).
Die Fotodiode ist mit der Schaltung durch eine Metallverbindung
verbunden.
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Doch
kann eine Bindungsfestigkeit zwischen Wafern wegen einer unebenen
Bindungsoberfläche des
Wafers gemindert sein. Da, heißt
das, die Metallverbindungen zwischen der Fotodiode und Schaltungen
auf der Oberfläche
eines Zwischenschichtdielektrikums freiliegen, kann die Zwischenschicht
ein unebenes Oberflächenprofil
aufweisen. Dies führt
zu einer Minderung der Bindungsfestigkeit mit der auf dem Zwischenschichtdielektrikum
ausgebildeten Fotodiode.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
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Ausführungsformen
stellen einen Bildsensor, der eine vertikale Integration einer Ausleseschaltung und
einer Fotodiode verwendet und den Füllfaktor der Fotodiode verbessert,
und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereit.
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In
einer Ausführungsform
umfasst ein Bildsensor: ein Halbleitersubstrat, das eine Ausleseschaltung
umfasst, eine mit der Ausleseschaltung verbundene Verbindung und
ein Zwischenschichtdielektrikum über
dem Halbleitersubstrat; eine Bilderfassungseinheit über dem
Zwischenschichtdielektrikum, wobei die Bilderfassungseinheit eine
erste Dotierungsschicht und eine zweite Dotierungsschicht umfasst,
die darin gestapelt sind; ein die Verbindung freilegendes erstes
Durchkontaktierungsloch durch die Bilderfassungseinheit; einen vierten
Metallkontakt im ersten Durchkontaktierungsloch zum elektrischen Verbinden
der Verbindung und der ersten Dotierungsschicht; und einen fünften Metallkontakt über dem
vierten Metallkontakt, wobei der fünfte Metallkontakt gegen den
vierten Metallkontakt elektrisch isoliert und mit der zweiten Dotierungsschicht
elektrisch verbunden ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors: Ausbilden
einer mit einer Ausleseschaltung verbundenen Verbindung und eines
Zwischenschichtdielektrikums über
einem Halbleitersubstrat, das die Ausleseschaltung umfasst; Ausbilden
einer Bilderfassungseinheit, die eine erste Dotierungsschicht und eine
zweite Dotierungsschicht umfasst, die über dem Zwischenschichtdielektrikum
gestapelt sind; Ausbilden eines ersten Durchkontaktierungslochs,
das die Bilderfassungseinheit durchdringt, um die Verbindung freizulegen;
Ausbilden einer ersten Barrierenstruktur auf Seitenwänden des
ersten Durchkontaktierungslochs derart, dass sie die zweite Dotierungsschicht
bedeckt und die erste Dotierungsschicht teilweise freilegt; Ausbilden
eines vierten Metallkontakts im ersten Durchkontaktierungsloch zum
elektrischen Verbinden der Verbindung und der ersten Dotierungsschicht;
Ausbilden einer zweiten Barrierenstruktur über dem vierten Metallkontakt
im ersten Durchkontaktierungsloch; und Ausbilden eines fünften Metallkontakts über der
zweiten Barrierenstruktur und in elektrischer Verbindung mit der
zweiten Dotierungsschicht.
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Die
Einzelheiten von einer oder mehr Ausführungsformen werden in den
begleitenden Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt.
Weitere Merkmale werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen
sowie aus den Ansprüchen
ersichtlich sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines Bildsensors gemäß einer Ausführungsform.
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2 zeigt
ein Diagramm des Spannungspotentials zur Erläuterung eines Transistorbetriebs gemäß einer
Ausführungsform.
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3 ist
eine Querschnittsansicht eines Bildsensors gemäß einer anderen Ausführungsform.
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Die 4 bis 12 sind
Querschnittsansichten, die einen Prozess zur Herstellung eines Bildsensors
gemäß einer
Ausführungsform
darstellen.
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13 ist
eine Draufsicht, die den Bildsensor von 12 darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In
der Beschreibung von Ausführungsformen versteht
es sich, dass, wenn von einer Schicht (oder einem Film) gesagt wird,
dass sie (bzw. er) ”auf” einer anderen
Schicht oder einem anderen Substrat ist, sich diese Schicht (bzw.
dieser Film) unmittelbar auf einer anderen Schicht oder einem anderen
Substrat befinden kann oder auch Zwischenschichten vorhanden sein
können.
Ferner versteht es sich, dass, wenn von einer Schicht gesagt wird,
dass sie ”unter” einer anderen
Schicht ist, sich diese Schicht unmittelbar unter einer anderen
Schicht befinden kann oder auch eine oder mehrere Zwischenschichten
vorhanden sein können.
Des Weiteren versteht es sich, dass, wenn von einer Schicht gesagt
wird, dass sie ”zwischen” zwei Schichten
ist, es sich um die einzige Schicht zwischen den zwei Schichten
handeln kann oder außerdem
eine oder mehrere Zwischenschichten vorhanden sein können.
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Nachstehend
werden ein Bildsensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung mit
Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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Die
Ausführungsform
ist nicht auf einen CMOS-Bildsensor beschränkt, sondern auf einen beliebigen
Bildsensor (z. B. CCD-Bildsensor)
anwendbar, der einer Fotodiode bedarf.
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12 zeigt
eine vereinfachte Querschnittsansicht, die einen Bildsensor gemäß einer
Ausführungsform
darstellt. Die 1 und 3 zeigen
detailliertere Ansichten des Substrats mit einer Ausleseschaltung
und Verbindungen gemäß bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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Ein
Bildsensor gemäß einer
Ausführungsform
umfasst ein Halbleitersubstrat 100, das eine Ausleseschaltung 120 umfasst,
eine Verbindung 150, die mit der Ausleseschaltung 120 elektrisch
verbunden ist, und ein Zwischenschichtdielektrikum 160 über dem
Halbleitersubstrat 100; eine Bilderfassungseinheit 200 über dem
Zwischenschichtdielektrikum 160, wobei die Bilderfassungseinheit 200 eine erste
Dotierungsschicht 210 und eine zweite Dotierungsschicht 220 umfasst,
die darin gestapelt sind; ein erstes Durchkontaktierungsloch 240,
das die Verbindung 150 freilegt, durch die Bilderfassungseinheit 200;
einen vierten Metallkontakt 275 im ersten Durchkontaktierungsloch
zum elektrischen Verbinden der Verbindung 150 und der ersten
Dotierungsschicht 210; und einen fünften Metallkontakt 300 über dem vierten
Metallkontakt 275, der gegen den vierten Metallkontakt 275 elektrisch
isoliert und mit der zweiten Dotierungsschicht 220 elektrisch
verbunden ist.
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Da
der fünfte
Metallkontakt 300 über
dem vierten Metallkontakt 275 ausgebildet ist, sind die vierten
und fünften
Me tallkontakte 275 und 300 längs der selben Linie gefluchtet.
Somit sind die Verbindungen in einem minimalen Raum der Bilderfassungseinheit 200 ausgebildet
und verbessern dadurch den Füllfaktor
der Bilderfassungseinheit 200.
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Ein
Bildpunkttrenngebiet 310 ist in der Bilderfassungseinheit 200 ausgebildet,
um die Bilderfassungseinheit 200 nach Bildpunkteinheit
aufzuteilen.
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Da
das Bildpunkttrenngebiet 310 so ausgebildet ist, dass es
an den vierten Kontakt 275 und den fünften Metallkontakt 300 angrenzt,
kann insbesondere das Licht empfangende Gebiet der Bilderfassungseinheit 200 sichergestellt
werden. Wie in 13 dargestellt, kann das Bildpunkttrenngebiet 310 auch
mit einem Gittermuster ausgebildet sein, um die Bilderfassungseinheit 200 nach
Bildpunkteinheit aufzuteilen.
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Eine
fünfte
Metallleitung 320 kann auf dem fünften Metallkontakt 300 ausgebildet
sein, um ein elektrisches Signal an den fünften Metallkontakt 300 zu übermitteln.
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Die
fünfte
Metallleitung 320 kann mit einem Gittermuster in Einklang
mit der Ausbildeposition des Bildpunkttrenngebiets 310 ausgebildet
sein, um das Licht empfangende Gebiet der Bilderfassungseinheit 200 sicherzustellen.
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Eine
erste Barrierenstruktur 260 kann auf der Seitenwand des
ersten Durchkontaktierungslochs 240 so ausgebildet sein,
dass sie einen Bereich der ersten Dotierungsschicht 210 freilegt
und verhindert, dass der verbleibende Bereich der ersten Dotierungsschicht 210 und
die zweite Dotierungsschicht 220 mit dem vierten Metallkontakt 275 in
Kontakt kommen.
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Eine
zweite Barrierenstruktur 285 kann zwischen dem vierten
Metallkontakt 275 und dem fünften Metallkontakt 300 ausgebildet
sein, um den vierten Metallkontakt 275 gegen den fünften Metallkontakt 300 elektrisch
zu isolieren.
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Ein
Graben 290 kann in der zweiten Dotierungsschicht 220 in Übereinstimmung
mit einem oberen Teil der zweiten Barrierenstruktur 285 ausgebildet
sein. Demgemäß kann der
fünfte
Metallkontakt 300 so im Graben 290 ausgebildet
sein, dass er mit der zweiten Dotierungsschicht 220 elektrisch
verbunden ist.
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Bezugsziffern,
die nicht erläutert
wurden, werden mit Bezug auf das folgende Herstellungsverfahren
beschrieben.
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Nachstehend
wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß einer
Ausführungsform
mit Bezug auf 1 bis 13 beschrieben.
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Unter
Bezugnahme auf 1 werden eine Verbindung 150 und
ein Zwischenschichtdielektrikum 160 über dem Halbleitersubstrat 100 ausgebildet, das
eine Ausleseschaltung 120 umfasst.
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Das
Halbleitersubstrat 100 kann ein mono- oder polykristallines
Siliziumsubstrat sein, und es kann ein Substrat sein, das mit P-Typ-Fremdstoffen oder
N-Typ-Fremdstoffen dotiert ist. Beispielsweise wird eine Bauelement-Isolierschicht 110 im
Halbleitersubstrat 100 ausgebildet, um ein aktives Gebiet festzulegen.
Eine Ausleseschaltung 120, die Transistoren für jede Bildpunkteinheit
umfasst, wird im aktiven Gebiet ausgebildet.
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Die
Ausleseschaltung 120 kann eine Schaltung des Typs 3T, 4T
oder 5T sein. Beispielsweise kann die Ausleseschaltung 120 als
4T-Schaltung einen Transfertransistor (Tx) 121, einen Resettransistor
(Rx) 123, einen Treibertransistor (Dx) 125 und
einen Auswahltransistor (Sx) 127 umfassen. Ein Ionenimplantationsgebiet 130 kann
ausgebildet werden, das ein schwebendes Diffusionsgebiet (FD) 131 und Source/Drain-Gebiete 133, 135 und 137 für die Transistoren
umfasst.
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Das
Ausbilden der Ausleseschaltung 120 auf dem ersten Substrat 100 kann
das Ausbilden eines elektrischen Übergangsgebiets 140 im
ersten Substrat 100 und das Ausbilden einer ersten leitenden
Verbindung 147 umfassen, die mit der Verbindung 150 bei
einem oberen Teil des elektrischen Übergangsgebiets 140 verbunden
ist.
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Beispielsweise
kann das elektrische Übergangsgebiet 140 ein
P-N–Übergang 140 sein,
doch sind die Ausführungsformen
nicht hierauf beschränkt.
Beispielsweise kann das elektrische Übergangsgebiet 140 eine
Ionenimplantationsschicht 143 eines ersten Leitungstyps,
die auf einer Wanne 141 eines zweiten Leitungstyps oder
einer Epitaxieschicht eines zweiten Leitungstyps ausgebildet ist, und
eine Ionenimplantationsschicht 145 des zweiten Leitungstyps
umfassen, die auf der Ionenimplantationsschicht 143 des
ersten Leitungstyps ausgebildet ist. Wie in 1 dargestellt,
kann der P-N–Übergang 140 beispielsweise
ein P0(145)/N–(143)/P-(141)-Übergang
sein, doch sind die Ausführungsformen
nicht hierauf beschränkt.
Des Weiteren kann das erste Substrat 100 ein Substrat des
zweiten Leitungstyps sein, doch sind die Ausführungsformen nicht hierauf
beschränkt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die Vorrichtung so gestaltet, dass eine Potentialdifferenz zwischen
der Source und dem Drain des Transfertransistors (Tx) vorliegt,
wodurch sie die vollständige Ausgabe
einer Photoladung ermöglicht.
Demgemäß werden
in der Fotodiode erzeugte Photoladungen an ein schwebendes Diffusionsgebiet
ausgegeben, wodurch die Ausgabebildempfindlichkeit erhöht wird.
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Das
heißt,
dass diese Ausführungsform
das elektrische Übergangsgebiet 140 im
ersten Substrat 100, das die Ausleseschaltung 120 umfasst,
ausbildet, um eine Potentialdifferenz zwischen der Source und dem
Drain des Transfertransistors (Tx) 121 bereitzustellen
und dadurch die vollständige
Ausgabe der Photoladungen zu ermöglichen.
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Nachstehend
wird eine Ausgabestruktur einer Photoladung gemäß einer Ausführungsform
mit Bezug auf die 1 und 2 im Einzelnen
beschrieben.
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In
einer Ausführungsform
wird im Gegensatz zu einem Knoten einer schwebenden Diffusion (FD) 131 eines
N+ -Übergangs
der P/N/P-Übergang 140 des
elektrischen Übergangsgebiets 140 bei
einer vorbestimmten Spannung abgeschnürt, ohne dass eine angelegte
Spannung vollständig
daran übertragen
wird. Diese Spannung wird als ”Haftspannung” bezeichnet.
Die Haftspannung ist abhängig
von der Dotierungskonzentration von P0 (145) und N– (143).
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Im
Besonderen werden in der Fotodiode erzeugte Elektronen an den PNP-Übergang 140 übertragen
und sie werden an den Knoten der schwebenden Diffusion (FD) 131 übertragen,
um in eine Spannung umgewandelt zu werden, wenn der Transfertransistor
Tx 121 eingeschaltet wird.
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Die
maximale Spannung des P0/N–/P- -Übergangs 140 wird
die Haftspannung und die maximale Spannung des Knotens FD 131 wird
Vdd abzüglich
der Schwellenspannung (Vth) des Resettransistors (Rx). Wie in 2 dargestellt,
können
aufgrund einer Potentialdifferenz zwischen der Source und dem Drain
des Tx 121 Elektronen, die in der Fotodiode im oberen Teil
des Chips erzeugt werden, ohne Ladungsaufteilung vollständig an
den Knoten FD 131 ausgegeben werden.
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Das
heißt,
dass in einer Ausführungsform anstelle
eines N+/P-Wanne-Übergangs
ein P0/N–/P-Wanne-Übergang
in einem Siliziumsubstrat (Si-Sub) des Halbleitersubstrats 100 ausgebildet wird.
Dies deshalb, weil beim Rücksetzvorgang
eines 4T-Aktivpixelsensors
(APS) eine positive (+) Spannung an das N– -Gebiet (143) im
P0/N–/P-Wanne-Übergang
angelegt wird und ein Massepotential an das P0-Gebiet (145)
und die P-Wanne (141) angelegt wird und folglich ein P0/N–/P-Wanne-Doppelübergang
bei einer vorbestimmten oder höheren Spannung
eine Abschnürung
wie bei einer BJT-Struktur hervorruft. Diese wird als ”Haftspannung” bezeichnet.
Daher tritt eine Potentialdifferenz zwischen der Source und dem
Drain des Tx 121 auf, wodurch ermöglicht wird, ein Ladungsaufteilungs-Phänomen durch
die vollständige
Ausgabe von Photoladungen von der N–Wanne an FD durch Tx während der
Ein-/Aus-Schaltung des Tx zu verhindern.
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Im
Unterschied zu dem der verwandten Technik entsprechenden Fall, in
dem eine Fotodiode einfach mit einem N+ -Übergang verbunden wird, ermöglicht es
daher diese Ausführungsform,
Sättigungsreduktion
und Empfindlichkeitsabnahme zu verhindern.
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Eine
erste leitende Verbindung 147 ist zwischen der Fotodiode
und der Ausleseschaltung ausgebildet, um einen glatten Transferpfad
einer Photoladung zu erzeugen und dadurch zu ermöglichen, eine Dunkelstromquelle
zu minimieren und Sättigungsreduktion
und Empfindlichkeitsabnahme zu verhindern.
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Zu
diesem Zweck kann ein N+ -Dotierungsgebiet als eine erste leitende
Verbindung 147 für
einen ohmschen Kontakt auf der Oberfläche des P0/N–/P- -Übergangs 140 ausgebildet
werden. Das N+ -Gebiet (147) kann derart ausgebildet werden, dass
es das P0-Gebiet (145) durchstößt, um das N– -Gebiet
(143) zu kontaktieren.
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Des
Weiteren kann die Breite der ersten leitenden Verbindung 147 minimiert
werden, um zu verhindern, dass die erste leitende Verbindung 147 eine Leckquelle
ist.
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Zu
diesem Zweck kann nach dem Ätzen
eines Kontaktlochs für
einen ersten Metallkontakt 151a eine Stöpsel-Implantation ausgeführt werden,
doch sind die Ausführungsformen
nicht hierauf beschränkt.
Als ein weiteres Beispiel kann eine Ionenimplantationsstruktur (nicht
dargestellt) ausgebildet werden und die Struktur kann als Ionenimplantationsmaske
verwendet werden, um die erste leitende Verbindung 147 auszubilden.
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Das
heißt,
dass ein Grund dafür,
dass eine N+ -Dotierung lokal nur auf einem Kontaktbildungsgebiet
ausgeführt
wird, darin besteht, ein Dunkelsignal zu minimieren und die reibungslose
Ausbildung eines ohmschen Kontakts zu realisieren. Wenn das gesamte
Source-Gebiet des Tx N+ -dotiert ist, kann sich ein Dunkelsignal
aufgrund einer ungesättigten Bindung
an der Si-Oberfläche
verstärken.
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3 stellt
eine andere Struktur einer Ausleseschaltung dar. Wie in 3 dargestellt,
kann ein erstes leitendes Verbindungsgebiet 148 auf einer Seite
des elektrischen Übergangsgebiets 140 ausgebildet
werden.
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Unter
Bezugnahme auf 3 kann ein N+ -Verbindungsgebiet 148 für einen
ohmschen Kontakt mit einem P0/N–/P-
-Übergang 140 ausgebildet
werden. Während
des Prozesses zum Ausbilden eines N+ -Verbindungsgebiets 148 und
eines M1C-Kontakts 151a in der in 1 gezeigten
Ausführungsform
kann eine Leckquelle erzeugt werden. Das liegt daran, dass durch
den Betrieb während
des Anlegens einer Sperrvorspannung am P0/N–/P- -Übergang 140 ein
elektrisches Feld (EF) über
der Si-Oberfläche erzeugt
werden kann. Ein während des
Prozesses zum Ausbilden des Kontakts erzeugter Kristalldefekt im
elektrischen Feld kann eine Leckquelle werden.
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Außerdem kann,
wenn das N+ -Verbindungsgebiet 148 über der Oberfläche des
P0/N–/P- -Übergangs 140 ausgebildet
wird, ein elektrisches Feld wegen des N+/P0-Übergangs 148/145 zusätzlich erzeugt
werden. Dieses elektrische Feld kann ebenfalls eine Leckquelle werden.
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Dementsprechend
wird in der in 3 gezeigten Ausführungsform
ein Layout bereitgestellt, bei dem der erste Kontaktstöpsel 151a auf
einem aktiven Gebiet ausgebildet ist, das nicht mit einer P0-Schicht
dotiert ist, sondern das N+ -Verbindungsgebiet 148 umfasst,
das mit dem N– -Übergang 143 elektrisch
verbunden ist.
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In
dieser Ausführungsform
wird das elektrische Feld nicht über
der Oberfläche
des Halbleitersubstrats 100 erzeugt, was zur Verringerung
eines Dunkelstroms eines dreidimensionalen integrierten CIS beitragen
kann.
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Mit
Bezug auf die 1 und 3 können ein
Zwischenschichtdielektrikum 160 und eine Verbindung 150 über dem
Halbleitersubstrat 100 ausgebildet werden. Die Verbindung 150 kann
einen zweiten Metallkontakt 151a, ein erstes Metall 151,
ein zweites Metall 152 und ein drittes Metall 153 umfassen,
doch sind die Ausführungsformen
nicht hierauf beschränkt.
Nach dem Ausbilden des dritten Metalls 153 kann eine Dielektrikumschicht
ausgebildet werden, um das dritte Metall 153 zu bedecken,
und ein Planarisierungsprozess kann ausgeführt werden, um das Zwischenschichtdielektrikum 160 auszubilden. So
kann die Oberfläche
des Zwischenschichtdielektrikums 160, das ein gleichmäßiges Oberflächenprofil aufweist,
auf dem Halbleitersubstrat 100 freigelegt werden.
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Mit
Bezug auf 4 wird eine Bilderfassungseinheit 200 auf
dem Zwischenschichtdielektrikum 160 des Halbleitersubstrats 100 ausgebildet. Die
Bilderfassungseinheit 200 kann eine erste Dotierungsschicht 210 und
eine zweite Dotierungsschicht 220 umfassen, um eine PN-Übergang-Fotodiodenstruktur
aufzuweisen. Außerdem
kann eine ohmsche Kontaktschicht (N+) 230 unter der ersten
Dotierungsschicht 210 ausgebildet werden.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass das dritte Metall 153 und
das Zwischenschichtdielektrikum 160, die in 4 abgebildet
sind, einen Teil der Verbindung 150 und des Zwischenschichtdielektrikums 160 darstellen,
die in 1 abgebildet sind. Das heißt, dass hier ein Teil der
Ausleseschaltung 120 und der Verbindung 150 aus
Gründen
der einfacheren Darlegung weggelassen wurde.
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Beispielsweise
kann die Bilderfassungseinheit 200 mit einem gestapelten
Aufbau der ersten Dotierungsschicht 210 und der zweiten
Dotierungsschicht 220 ausgebildet werden, indem N-Typ-Fremdstoffe (N–) und P-Typ-Fremdstoffe
(P+) wechselweise in ein kristallines P-Typ-Trägersubstrat (nicht dargestellt).
ionenimplantiert werden. Des Weiteren können hochkonzentrierte N-Typ-Fremdstoffe (N+)
auf einer Oberfläche
der ersten Dotierungsschicht 210 ionenimplantiert werden,
um die ohmsche Kontaktschicht 230 auszubilden. Die ohmsche Kontaktschicht 230 kann
den Kontaktwiderstand zwischen der Bilderfassungseinheit 200 und
der Verbindung 150 verringern.
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In
der Ausführungsform
kann die erste Dotierungsschicht 210 so ausgebildet werden,
dass sie ein ausgedehnteres (breiteres) Gebiet als die zweite Dotierungsschicht 220 aufweist.
In solchen Ausführungsformen
ist die Verarmungszone hiervon erweitert, um die Erzeugung von Fotoelektronen
zu steigern.
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Nach
dem Anordnen der ohmschen Kontaktschicht 230 des Trägersubstrats
(nicht dargestellt) auf der dielektrischen Zwischenschicht 160 wird
ein Bondprozess ausgeführt,
um das Halbleitersubstrat 100 und das Trägersubstrat
zu bonden. Dann wird bei Ausführungsformen,
bei denen das Trägersubstrat
eine Wasserstoffschicht hierin aufweist, das Trägersubstrat durch einen Spaltprozess
entfernt, um die Bilderfassungseinheit 200 freizulegen,
die auf das Zwischenschichtdielektrikum 160 gebondet ist.
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Demgemäß kann die
Bilderfassungseinheit 200 über der Ausleseschaltung 120 angeordnet
sein und hierdurch einen Füllfaktor
erhöhen
und einen Defekt in der Bilderfassungseinheit 200 verhindern.
Außerdem
ist die Bilderfassungseinheit 200 auf die Oberfläche des
Zwischenschichtdielektrikums 160 mit einem gleichmäßigen Oberflächenprofil
gebondet, wodurch die Bindungsfestigkeit erhöht wird.
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Mit
Bezug auf 5 wird ein erstes Durchkontaktierungsloch 240 ausgebildet,
das die Bilderfassungseinheit 200 und das Zwischenschichtdielektrikum 160 durchdringt.
Das erste Durchkontaktierungsloch 240 ist ein tiefes Durchkontaktierungsloch, das
imstande ist, die Oberfläche
des dritten Metalls 153 freizulegen.
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Eine
erste Barrierenstruktur 260 wird auf der Seitenwand des
ersten Durchkontaktierungslochs 240 in Übereinstimmung mit einem Bereich
der ersten Dotierungsschicht 210 und der zweiten Dotierungsschicht 220 der
Bilderfassungseinheit 200 ausgebildet. Die Barrierenstruktur 260 kann
aus einem Oxid oder einem Nitrid ausgebildet werden.
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Das
heißt,
dass die erste Barrierenstruktur 260 die gesamte zweite
Dotierungsschicht 220 und einen Bereich der ersten Dotierungsschicht 210 abdeckt,
der an die zweite Dotierungsschicht 220 angrenzt. Ein Bereich
der ersten Dotierungsschicht 210 und die ohmsche Kontaktschicht 230 liegen
zum ersten Durchkontaktierungsloch 240 hin frei.
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Obgleich
nicht dargestellt, wird ein Verfahren zum Ausbilden des ersten Durchkontaktierungslochs 240 und
der ersten Barrierenstruktur 260 wie folgt beschrieben.
Nachdem eine gemäß Bildpunkteinheit strukturierte
Hartmaske 250 auf der Bilderfassungseinheit 200 ausgebildet
wurde, wird die Bilderfassungseinheit 200 unter Verwendung
der Hartmaske 250 geätzt,
um ein anfängliches
Durchkontaktierungsloch (nicht dargestellt) in einem dem dritten
Metall 153 entsprechenden Gebiet auszubilden. Das anfängliche
Durchkontaktierungsloch (nicht dargestellt) reicht nur mit einem
Teil in die Bilderfassungseinheit hinein, um die zweite Dotierungsschicht 220 und
teilweise die erste Dotierungsschicht 210 in Übereinstimmung
mit einem Gebiet über
dem dritten Metall 153 freizulegen. Nachdem eine erste
Barriereschicht (nicht dargestellt) im anfänglichen Durchkontaktierungsloch
(nicht dargestellt) ausgebildet wurde, wird ein Ätzprozess ausgeführt, um
die erste Barriereschicht von der Bodenfläche des anfänglichen Durchkontaktierungslochs
(und der oberen Oberfläche
der Hartmaske 250) zu entfernen, wodurch die erste Barrierenstruktur 260 nur
auf den Seitenwänden
des anfänglichen
Durchkontaktierungslochs ausgebildet wird. Dann kann das erste Durchkontaktierungsloch 240 zum
Freilegen des dritten Metalls 153 durch die Bilderfassungseinheit 200 und
das Zwischenschichtdielektrikum 160 unter Verwendung der Hartmaske 250 und
der ersten Barrierenstruktur 260 als Ätzmaske ausgebildet werden.
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Mit
Bezug auf 6 wird ein Kontaktstöpsel 270 ausgebildet,
um die Bilderfassungseinheit 200 und die Ausleseschaltung 120 elektrisch
zu verbinden. Der Kontaktstöpsel 270 kann
aus mindestens einem von Metallmaterialien wie Cu, Al, Ti, Ta, TiN,
TaN und W ausgebildet werden.
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Der
Kontaktstöpsel 270 kann
mit dem dritten Metall 153 elektrisch verbunden sein, indem
er die Bilderfassungseinheit 200 und das Zwischenschichtdielektrikum 160 durch
das erste Durchkontaktierungsloch 240 durchdringt. Des
Weiteren wird die Barrierenstruktur 260 teilweise auf den
Seitenwänden
des Kontaktstöpsels
ausgebildet, um den Kontaktstöpsel 270 elektrisch
gegen die zweite Dotierungsschicht 220 zu isolieren.
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Demgemäß können in
der Bilderfassungseinheit 200 erzeugte Photoladungen durch
den Kontaktstöpsel 270 an
die Auslese schaltung 120 abgegeben werden. Da die erste
Barrierenstruktur 260 den Kontaktstöpsel 270 gegen die
zweite Dotierungsschicht 220 isoliert, kann die Bilderfassungseinheit 200 überdies
normal betrieben werden.
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Mit
Bezug auf 7 werden ein zweites Durchkontaktierungsloch 265 und
ein vierter Metallkontakt (M4C) 275 ausgebildet, indem
der obere Teil des Kontaktstöpsels 270 entfernt
wird. Das zweite Durchkontaktierungsloch 265, das durch
selektives Ätzen
des Kontaktstöpsels 270 bis
auf eine der zweiten Dotierungsschicht 220 entsprechende
Tiefe ausgebildet wird, kann die erste Barrierenstruktur 260 auf
Seiten der zweiten Dotierungsschicht 220 freilegen. Beispielsweise
kann das zweite Durchkontaktierungsloch 265 durch Steuern
eines Vertiefungsprozesses ausgebildet werden, um die erste Barrierenstruktur 260 bis
auf eine der zweiten Dotierungsschicht 220 entsprechende
Tiefe freizulegen. Der vierte Metallkontakt 275 ist der
unter dem Durchkontaktierungsloch 265 verbleibende Kontaktstöpsel 270.
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Mit
Bezug auf 8 wird eine zweite Barriereschicht 280 im
zweiten Durchkontaktierungsloch 265 und über der
Bilderfassungseinheit 200 ausgebildet. Nachdem die zweite
Barriereschicht 280 das zweite Durchkontaktierungsloch 265 und
die Hartmaske 250 bedeckt hat, wird ein Planarisierungsprozess
auf der zweiten Barriereschicht 280 ausgeführt. Da
die zweite Barriereschicht 280 das zweite Durchkontaktierungsloch 265 füllt, wird
die zweite Barriereschicht 280 in diesem Fall über den
vierten Metallkontakt 275 gefüllt.
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Die
zweite Barriereschicht 280 kann aus einem Oxid oder einem
Nitrid ausgebildet werden.
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Mit
Bezug auf 9 wird ein Graben 290 ausgebildet,
um die zweite Dotierungsschicht 220 der Bilderfassungseinheit 200 selektiv
freizulegen. Die verbleibende zweite Barriereschicht 280 unter dem
Graben 290 bildet die zweite Barrierenstruktur 285 und
ist zwischen dem Boden des Grabens 290 und dem vierten
Metallkontakt 275 angeordnet.
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Zum
Ausbilden des Grabens 290 wird auf der zweiten Barriereschicht 280 eine
Fotolackstruktur 500 ausgebildet, welche die zweite Barriereschicht 280 in Übereinstimmung
mit dem vierten Metallkontakt 275 freilegt. In diesem Fall
kann die Fotolackstruktur 500 so ausgebildet werden, dass
sie eine Breite D2 hat, die größer als
eine Breite D1 des ersten Durchkontaktierungslochs 240 einschließlich der ersten
Barrierenstruktur 260 ist. Der Graben 290 kann
ausgebildet werden, indem die freiliegende zweite Barriereschicht 280,
die Hartmaske 250 und die zweite Dotierungsschicht 220 unter
Verwendung der Fotolackstruktur 500 als Ätzmaske
geätzt
werden. Hier kann der Ätzprozess
durch das Steuern der Ätzbedingungen
gestoppt werden, wenn ein Bereich der zweiten Dotierungsschicht 220 freiliegt.
Da die Fotolackstruktur 500 eine größere Breite als die des ersten
Durchkontaktierungslochs 240 hat, kann überdies die zweite Dotierungsschicht 200 an
den Randgebieten 290 des Bodens des Grabens 290 freigelegt werden.
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Wenn
ein Bereich der zweiten Dotierungsschicht 220 durch das
Steuern des Ätzprozesses während des
Ausbildens des Grabens 290 freigelegt wird, dann wird das Ätzen gestoppt,
und die zweite Barrierenstruktur 285 wird unter dem Graben 290 ausgebildet.
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Danach
wird, wenn die Fotolackstruktur 500 entfernt wird, eine
dritte Barrierenstruktur 287 freigelegt, die der Teil der Barriereschicht 280 ist,
der von der Fotolackstruktur 500 verdeckt wurde.
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Mit
Bezug auf 10 wird ein fünfter Metallkontakt
(M5C) 300 im Graben 290 ausgebildet. Der fünfte Metallkontakt 300 wird
im Graben 290 so ausgebildet, dass er mit der zweiten Dotierungsschicht 220 elektrisch
verbunden ist.
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Der
fünfte
Metallkontakt 300 kann ausgebildet werden, indem ein Planarisierungsprozess
ausgeführt
wird, nachdem eine Metallschicht auf der Bilderfassungseinheit 200 einschließlich des
Grabens 290 abgeschieden wurde. Beispielsweise kann es sich
beim Planarisierungsprozess um einen chemischmechanischen (CMP)
Prozess handeln, und ein Polierendpunkt kann die dritte Barrierenstruktur 287 sein.
Ferner kann der fünfte
Metallkontakt 300 aus einem von Metallmaterialien wie Cu,
Al, Ti, Ta, TiN, TaN und W ausgebildet werden.
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Der
fünfte
Metallkontakt 300 wird im Graben 290 so ausgebildet,
dass er nur mit der zweiten Dotierungsschicht 220 der Bilderfassungseinheit 200 elektrisch
verbunden ist, und dient als Massekontakt.
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Da
der fünfte
Metallkontakt 300 durch die zweite Barrierenstruktur 285 gegen
den vierten Metallkontakt 275 elektrisch isoliert wird,
kann ein Massepotential nur an die zweite Dotierungsschicht 220 angelegt
werden.
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Wie
oben beschrieben, wird der vierte Metallkontakt 275 durch
die zweite Barrierenstruktur 285 gegen den fünften Metallkontakt 300 elektrisch
isoliert. Da der vierte Metallkontakt 275 durch die erste Barrierenstruktur 260 mit
einem Bereich der ersten Dotierungsschicht 210 und/oder
der ohmschen Kontakt schicht 230 elektrisch verbunden ist,
können
in der Bilderfassungseinheit 200 erzeugte Photoladungen
durch den vierten Metallkontakt 275 an die Ausleseschaltung 120 abgegeben
werden.
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Da
die zweite Barrierenstruktur 285 zwischen den vierten Metallkontakt 275 und
den fünften Metallkontakt 300 eingefügt ist,
kann überdies
ein Licht empfangendes Gebiet der Bilderfassungseinheit 200 sichergestellt
werden, wodurch der Füllfaktor
verbessert wird. Das heißt,
dass das Licht empfangende Gebiet der Bilderfassungseinheit 200 maximal
sichergestellt werden kann, weil der vierte Metallkontakt 275 und
der fünfte
Metallkontakt längs
der selben Linie gefluchtet sind.
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Mit
Bezug auf 11 wird ein Bildpunkttrenngebiet 310 in
der Bilderfassungseinheit 200 ausgebildet, um die Bilderfassungseinheit 200 nach
Bildpunkteinheit aufzuteilen. Das Bildpunkttrenngebiet 310 wird
so ausgebildet, dass es die Bilderfassungseinheit 200 vollständig durchdringt,
um die Bilderfassungseinheit 200 nach Bildpunkteinheit
aufzuteilen. Das Bildpunkttrenngebiet 310 kann angrenzend
an den vierten Metallkontakt 275 und den fünften Metallkontakt 300 ausgebildet werden.
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Das
Bildpunkttrenngebiet 310 kann durch einen Flachgrabenisolations-(STI)-Prozess
oder einen Ionenimplantationsprozess ausgebildet werden. Beispielsweise
kann das Bildpunkttrenngebiet 310 beim STI-Prozess ausgebildet
werden, indem ein Isoliermaterial in einen Graben gefüllt wird,
der in der Bilderfassungseinheit 200 ausgebildet ist.
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Mit
Bezug auf 12 wird ein fünftes Metall 325 auf
dem fünften
Metallkontakt 300 ausgebildet. Das fünfte Metall 325 kann
durch Ausführen
einer Strukturierung nach dem Abscheiden einer Metallschicht so
ausgebildet werden, dass es mit dem fünften Metallkontakt 300 elektrisch
verbunden ist. Das fünfte
Metall 325 kann auf dem fünften Metallkontakt 300 und
dem Bildpunkttrenngebiet 310 ausgebildet werden.
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Wie
in 13 dargestellt, kann das fünfte Metall 325 ausgebildet
werden, indem eine Strukturierung derart ausgeführt wird, dass ein Bereich
einer fünften
Metallleitung 320 beim Ausbilden der fünften Metallleitung 320 mit
dem fünften
Metall 325 verbunden wird.
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Die
fünfte
Metallleitung 320 kann mit einem Gittermuster entlang der
Ausbildelinie des Bildpunkttrenngebiets 310 ausgebildet
werden. Da das fünfte
Metall 325 bei der fünften
Metallleitung 320 in Übereinstimmung
mit einem Randgebiet des Bildpunkttrenngebiets 310 ausgebildet
wird, kann ein Licht empfangendes Gebiet der Bilderfassungseinheit 220 maximal
sichergestellt werden.
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Wie
in 13 dargestellt, werden das fünfte Metall 325 und
der fünfte
Metallkontakt 300 am Randgebiet der einer Bildpunkteinheit
A entsprechenden Bilderfassungseinheit 200 ausgebildet.
Obgleich nicht dargestellt, wird ein vierter Metallkontakt 275 unter
dem fünften
Metallkontakt 300 ausgebildet, wo eine zweite Barriereschicht 280 eingefügt ist.
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Wie
oben beschrieben, werden der fünfte Metallkontakt 300 und
das fünfte
Metall 325 über dem
vierten Metallkontakt 275 ausgebildet, und die vierten
und fünften
Metallkontakte 275 und 300 werden angrenzend an
das Bildpunkttrenngebiet 310 ausgebildet. Demgemäß kann das
Licht empfangende Gebiet der einer Bildpunkteinheit entsprechenden Bilderfassungseinheit 200 ma ximal
sichergestellt und dadurch der Füllfaktor
des Bildsensors verbessert werden. Daher können die Empfindlichkeits- und Sättigungseigenschaften
des Bildsensors verbessert werden.
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Obgleich
nicht dargestellt, können
ein Farbfilter und eine Mikrolinse zusätzlich über der Bilderfassungseinheit 200 ausgebildet
werden.
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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 Ausdrucks weisen
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 eine Eigenschaft in Verbindung mit anderen der Ausführungen
zu bewirken.
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Obgleich
Ausführungsformen
mit Bezug auf eine Anzahl erläuternder
Ausführungsformen
hiervon beschrieben wurden, versteht es sich von selbst, dass zahlreiche
weitere Abwandlungen und Ausführungen
durch Fachleute entworfen werden können, welche unter Prinzip
und Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen. Insbesondere sind
verschiedene 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.