NL9000776A - Werkwijze ter vervaardiging van een ladingsgekoppelde beeldopneeminrichting, alsmede beeldopneeminrichting verkregen door deze werkwijze. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken "Werkwijze ter vervaardiging van een ladingsgekoppelde beeldopneeminrichting, alsmede beeldopneeminrichting verkregen door deze werkwijze".

De uitvinding betreft een werkwijze ter vervaardiging van een ladingsgekoppelde beeldopneeminrichting van het begraven kanaaltype, waarbij een aan een aan een oppervlak grenzend gebied van een halfgeleiderlichaam van het ene geleidingstype wordt voorzien van een aantal naast elkaar gelegen oppervlaktezones van het ene geleidingstype die de begraven kanalen van de ladingsgekoppelde inrichting vormen, en van kanaalbegrenzende oppervlaktezones van het tweede, het tegengestelde geleidingstype, tussen de oppervlaktezones van het eerste geleidingstype, die zich vanaf het oppervlak tot een grotere dikte dan de oppervlaktezones van het eerste geleidingstype in het halfgeleiderlichaam uitstrekken tot onder deze oppervlaktezones en deze althans ten dele scheiden van aangrenzende delen van het halfgeleiderlichaam van het eerste geleidingstype. De uitvindig betreft bovendien een ladingsgekoppelde beeldopneeminrichting verkregen door deze werkwijze.

Een dergelijke werkwijze en een inrichting vervaardigd met deze werkwijze zijn onder meer bekend uit de ter visie gelegde Europese octrooiaanvrage 143.496 ten name van Aanvraagster.

In deze inrichtingen, die gewoonlijk van het n-kanaal type zijn, vormt het n-type halfgeleiderlichaam waarvan bij de vervaardiging wordt uitgegaan, een afvoergebied voor exces-ladingsdragers die ten gevolge van overbelichting in de beeldopneeminrichting kunnen worden gegenereerd. In vergelijking met inrichtingen waarin de afvoer van exces-lading plaatsvindt via afvoerkanalen die aan het oppervlak tussen de kanalen van de ladingsgekoppelde inrichting zijn gelegen, heeft deze, verticale, afvoer het voordeel dat de lichtgevoeligheid van de beeldopneeminrichting niet verminderd wordt. De overstroom potentiaalbarrière tussen de n-type CCD-kanalen en het n-type substraat worden gevormd door de, aan weerszijden van elk CCD-kanaal aangebrachte p-type kanaalbegrenzingszones, die van de zijkanten van de CCD-kanalen tot onder de CCD-kanalen diffunderen. Deze diffusie wordt gewoonlijk zover doorgevoerd tot de n-type CCD-kanalen geheel door een p-type gebied van het n-type substraat zijn gescheiden. De dotering en de dikte van dit p-type gebied zijn zodanig dat het gebied over zijn gehele dikte gedepleerd kan worden zonder doorslag. In een andere uitvoering kan onder de CCD-kanalen een smal n-type gebied overblijven, dat als verticaal afvoerkanaal fungeert.

Voor de vervaardiging van de bekende inrichting wordt uitgegaan van een n-type substraat, aan het oppervlak waarvan met behulp van een masker de p-type kanaalbegrenzende zones worden aangebracht, waaruit d.m.v. diffusie een aaneengesloten p-type gebied wordt gevormd met insnoeringen waar twee naar elkaar toe diffunderende zones aan elkaar grenzen. Vervolgens worden met behulp van een tweede masker de n-type oppervlaktezones voor de CCD-kanaLen aangebracht, zodanig dat het midden van deze zones boven of althans praktisch boven de genoemde insnoeringen liggen.

Bij deze bekende werkwijze zijn voor de twee * opeenvolgende doteringsstappen twee maskers nodig, waarbij het tweede masker zo nauwkeurig mogelijk uitgericht dient te worden ten opzichte van het in de eerste doteringsstap aangebrachte patroon van p-type zones. Ten gevolge van de spreiding in de nauwkeurigheid waarmee de n-type en p-type zones ten opzichte van elkaar worden aangebracht, wordt de reproduceerbaarheid van de inrichting verminderd. Bovendien heeft de hier beschreven bekende methode tot gevolg dat in de kanaalbegrenzende p-type zones de maximale doteringsconcentratie aan of dichtbij het oppervlak ligt. Bovendien is het vaak nodig met een derde masker een extra ondiepe p-laag in het kanaalbegrenzingsgebied aan te brengen ten behoeve van de afvoer van gegenereerde gaten. Voor de photogevoeligheid zou het vaak gewenst zijn dat de maximale doteringsconcentratie op enige afstand van het oppervlak ligt, waarbij de doteringsconcentratie vanaf dit punt naar het oppervlak afneemt.

De uitvinding beoogt een werkwijze te geven ter vervaardiging van een ladingsgekoppelde beeldopneeminrichting met verticale afvoer van excess lading, waarbij de kanaalbegrenzingszones en de CCD-kanalen zelf-registrerend ten opzichte van elkaar, met behulp van slechts een enkel masker kunnen worden aangebracht. De uitvinding beoogt verder een werkwijze aan te geven waarbij de kanaalbegrenzingszones voor wat betreft de photogevoeligheid een gunstig doteringsprofiel vertonen.

Een werkwijze van de in de aanhef beschreven soort is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat de kanaalbegrenzende zones via een masker met vensters die oppervlaktedelen van het gebied die tussen de te vormen begraven kanalen zijn gelegen, vrijlaat, worden gevormd en dat de begraven kanalen worden gevormd door middel van een doteringsstap die uniform wordt uitgevoerd over het gehele gebied in een doteringsconcentratie die lager is dan de doteringsconcentratie van de kanaalbegrenzende zones.

Door toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding is de positie van de kanaalbegrenzende zones en van de CCD-kanalen door een enkel masker bepaald. Doordat bij de doteringsstap voor het aanbrengen van de CCD-kanalen ook in de aangebrachte of nog aan te brengen kanaalbegrenzingszones verontreinigingen van het ene geleidingstype worden aangebracht, wordt in de kanaalbegrenzingszones de netto-concentratie van verontreinigingen van het tweede type met voordeel verlaagd. Een bijzondere uitvoering van een werkwijze volgens de uitvinding is daardoor gekenmerkt dat, de doteringsstappen zodanig worden uitgevoerd dat de netto-doteringsconcentratie van de kanaalbegrenzende zones, in een richting dwars op het oppervlak, een maximum heeft dat op een eindige afstand van het oppervlak is gelegen.

De doteringsconcentratie van de kanaalbegrenzingsgebieden kan aan het oppervlak zo laag zijn, dat een grote lichtgevoeligheid, in het bijzonder voor blauw licht, wordt verkregen, terwijl de dotering ter plaatse van het maximum voldoende hoog kan zijn om een goede kanaalscheiding en toch een goede afvoer van gegenereerde ladingsdragers van het tweede type te verkrijgen.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld en de bijgaande schematische tekening waarin:

Fig. 1 een schematisch bovenaanzicht geeft van een ladingsgekoppelde beeldopneeminrichting van het rasteroverdracht-type;

Fig. 2 een doorsnede geeft van de ladingsgekoppelde beeldopnemer, vervaardigd door. toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding;

Fig. 3 en 4 de inrichting van Fig. 2 tonen in twee stadia van de vervaardiging;

Fig. 5 het doopprofiel in de kanaalbegrenzingszones tussen twee CCD-kanalen als functie van de diepte 2 vanaf het oppervlak toont.

Fig. 6 een variant geeft van de in Fig. 2 getoonde beeldopnemer.

Opgemerkt wordt dat de figuren schematisch zijn en niet op schaal zijn getekend. Verder zal de uitvinding worden beschreven aan de hand van een n-kanaalinrichting, maar het zal zonder meer duidelijk zijn dat de uitvinding evengoed in p-kanaalinrichtingen kan worden toegepast, waarbij alleen maar de hier genoemde geleidingstypen behoeven te worden omgekeerd. De ladingsgekoppelde inrichting volgens Fig. 1 bevat een aantal naast elkaar gelegen kanalen 2 die een beeldopneemsectie 3 en een aansluitende geheugensectie vormen. De kanalen 2 monden aan de onderzijde van de geheugensectie 4 uit in een horizontaal uitleesregister 5, dat voorzien is van een uitgangsversterker 6.

Fig. 2 geeft een schematische doorsnede van de inrichting van Fig. 1, loodrecht op de ladingstransportrichting, langs de lijn II-II. Om de tekening niet onnodig groot te maken zijn in Fig. 2 slechts 3 CCD-kanalen 2 weergegeven. De inrichting is aangebracht in een halfgeleidersubstraat 10 van n-type silicium, dat is voorzien van een aansluiting 11. Eenvoudigheidshalve is de aansluiting 11 aan de onderzijde van het substraat weergegeven, maar het zal duidelijk zijn dat de aansluiting 11 ook op een geschikte plaats aan de bovenzijde kan worden aangebracht. Verder zal het duidelijk zijn dat in plaats van een uniform n-gedoteerd substraat, ook een halfgeleiderlichaam kan worden gebruikt, waarvan slechts een aan het bovenvlak grenzend gebied van het n-type is. Het lichaam 10 is aan het oppervlak 12 voorzien van n-type oppervlaktezones, die de begraven n-kanalen van de ladingsgekoppelde inrichting vormen. De kanalen 2 zijn van elkaar gescheiden door de tussenliggende p-type oppervlaktezones 13 die kanaalbegrenzingszones vormen. De zones 13 strekken zich vanaf de zijranden van de n-type zones 2 tot onder de n-type zones 2 in het substraat 10 uit, tot op een grotere diepte in het substraat dan de n-zones 2, en scheiden de n-type zones 2, althans grotendeels van het omringende delen van het n-type substraat. De zones 13 laten onder de zones 2 n-type verticale kanalen 14 over via welke een overschot van lading, die t.g.v. overbelichting wordt gegenereerd naar het substraat 10 kan worden afgevoerd. In andere uitvoeringen kunnen de zones 10 zich zover onder de n-type zones 2 uitstrekken dat onder de zones 2 een aaneengesloten p-type gebied wordt gevormd. Op het oppervlak is een, in Fig. 1 niet getekend, systeem van klokelektroden aangebracht, voor het aanleggen van geschikte klokspanningen waardoor in de kanalen 2 een potentiaalprofiel ontstaat waarmee ladingspakketten in de zones 2 kunnen worden opgeslagen en getransporteerd. In de doorsnede volgens Fig. 2 is een klokelektrode 15, van het silicium gescheiden door een poortdiêlektricum 16, weergegeven,

Voor de werking van de inrichting wordt verwezen naar de hiervoor genoemde Europese octrooiaanvrage 143.496. Het om te zetten stralingsbeeld wordt op de opneemsectie 3 geprojecteerd en daar omgezet in een groot aantal ladingspakketten. Na een bepaalde integratieperiode worden de gegenereerde ladingspakketten snel naar de, tegen straling afgeschermde, geheugensectie 4 getransporteerd. Vanuit de geheugensectie kan de informatie lijn voor lijn in het horizontale register getransporteerd worden en aan de uitgangsversterker 6 pakket na pakket worden uitgelezen.

Tijdens bedrijf worden de pn-overgangen tussen de p-type zones 13 en het n-type substraat 10 en de n-type oppervlaktezones in de sperrichting voorgespannen, waardoor de n-kanalen 14 over hun gehele dikte gedepleerd worden. De grens van het verarmingsgebied in het n-type substraat 10 is aangegeven met de onderbroken lijn 17. De potentiaal in de kanalen 14 is zodanig dat bij overbelichting lading via de in de kanalen 14 geïnduceerde potentiaalbarrière naar het substraat kan afvloeien, alvorens zich over de CCD-kanalen 2 te verspreiden (blooming).

Aan de hand van de Fig. 3 en 4 zal een werkwijze worden beschreven waarmee op zelf-registrerende, en daarmee op zeer reproduceerbare wijze, de hiervoor beschreven inrichting kan worden vervaardigd. In de tekening is alleen aangegeven hoe het gedeelte van de inrichting met de CCD-kanalen 2 en de tussengelegen kanaalbegrenzingsgebieden 13 wordt vervaardigd. Overige delen, waarin de benodigde randelectronica wordt aangebracht, kunnen met op zich zelf bekende, en hier niet meer beschreven processtappen, worden vervaardigd. In Fig. 3 wordt uitgegaan van het n-type halfgeleiderlichaam 10, waarvan het oppervlak 12 is voorzien van een

masker 20 met openingen 21 die de kanaalbegrenzingsgebieden 13 definiëren. Het masker 20 kan bij voorbeeld uit een photolaklaag gevormd worden. Deze laag kan direct op het silicium worden aangebracht, zoals in de figuur is weergegeven, maar kan ook door een tussenliggend dun oxydelaagje van het silicium zijn gescheiden. In een specifieke uitvoering bedroeg de breedte van de openingen 21 ongeveer 2 pm en de breedte van de tussenliggende photolaksporen 20 ongeveer 4 pm. De dikte van de sporen 20 wordt groot genoeg gekozen om het onderliggende silicium tegen implantatie te maskeren. Door middel van een boorimplantatie, in de tekening schematisch door de pijlen 22 weergegeven wordt het halfgeleiderlichaam 10 in de, door de openingen 21 bepaalde gebieden gedoteerd, ter verkrijging van de p-type kanaalbegrenzingszones 13. De zones 13 worden verkregen door na de implantatie het boor verder in het halfgeleiderlichaam te diffunderen d.m.v. een verhittingsstap. Het uiteindelijke doteringsprofiel van de p-type zones 13 wordt schematisch in Fig. 5 door de curve A gerepresenteerd. In deze tekening is op de verticale as de doteringsconcentratie in atomen per cubieke cm weergegeven; op de horizontale as is de diepte 2 (in pm) vanaf het oppervlak uitgezet. De maximale oppervlakteconcentratie in de kanaalbegrenzingszones bedraagt ongeveer 4.10 exp. 16 at/cm^. De zones 13 worden met een diffusielengte van ongeveer 1 pm in het halfgeleiderlichaam gediffundeerd, en diffunderen derhalve ook ongeveer 1 pm in laterale richting vanaf de randen van de openingen 21. Na de implantatie van boorionen wordt het masker 20 verwijderd, (Fig. 4) waarna ter plaatse van de te vormen CCD-kanalen 2 en de reeds genoemde p-type zones 13 een uniforme n-type dotering, bij voorbeeld met phosphorionen 24, wordt uitgevoerd. De oppervlakteconcentratie van de phosphordotering bedraagt bij voorbeeld ongeveer 2.10^6 phosphor atomen per kubieke cm, bij een diffusielengte van ongeveer 0.5 pm. (curve B in Fig. 5). Door de uniforme n-dotering worden van de p-type zones 13 (Fig. 4) de door het masker 20 gemaskeerde delen, gelegen tussen het in Fig. 5 aangegeven punt P en de randen van de p-type zones 13, n-gedoteerd, d.w.z. een gedeelte van ongeveer 0.2 pm vanaf de randen. De in Fig. 2 weergegeven situatie wordt dan verkregen met n-type CCD-kanalen 2 die van het n-type substraat 10 zijn gescheiden door de p-type kanaalbegrenzingszones die zich tot onder de CCD-kanalen uitstrekken. De breedte van de n-type CCD

kanalen bedraagt ongeveer 5,1 pm bij een diepte van ongeveer 0.5 pm.

In het hier beschreven proces worden de n-type kanaalzones zelf-registrerend ten opzichte van de vooraf gedefinieerde p-type zones 13 aangebracht. Een kritische uitrichtstap kan hiermee vermeden worden, wat, zoals bekend, diverse belangrijke voordelen zoals hogere opbrengst, betere reproduceerbaarheid, en zo mogelijk, een groter lichtgevoelig oppervlak geeft. Daarenboven wordt door de werkwijze volgens de uitvinding in de kanaalbegrenzingszones 13 een gunstig doopprofiel verkregen. Doordat namelijk de phosphordotering 24 over het hele oppervlak 2 plaatsvindt wordt de netto oppervlakteconcentratie in de p-type zones 13 verminderd. In Fig. 5 is het doopprofiel van een kanaalbegrenzingszone 13 langs de lijn c-c (Fig. 2) weergegeven met de in onderbroken lijnen getekende curve C. De netto oppervlakteconcentratie is in dit voorbeeld ten gevolge van de phosphordotering verlaagd tot ongeveer 2.10 exp 16 atomen per kubieke cm. Deze relatief lage waarde resulteert in een relatief grote lichtgevoeligheid, in het bijzonder voor blauw licht dat dichtbij het oppervlak geabsorbeerd wordt. Het maximum in de doteringsconcentratie ligt op ongeveer 0.5 pm afstand van het oppervlak en bedraagt ongeveer 3.10 exp 16 atomen. Deze concentratie is voldoende voor een goede scheiding tussen de CCD-kanalen en voor een goede afvoer van de gegenereerde gaten.

In Fig. 6 is in doorsnede een variant van de in Fig. 2 getoonde configuratie weergegeven, waarbij voor overeenkomstige onderdelen dezelfde verwijzingscijfers zijn gebruikt als in Fig. 2. Behalve de n-type dotering ter verkrijging van de oppervlaktezones 2 volgens het profiel B in Fig. 5, is in de inrichting volgens Fig. 6 nog een tweede n-type dotering volgens het profiel D in Fig. 2 uitgevoerd. Deze dotering is zeer ondiep en kan een zodanig hoge concentratie hebben dat van de kanaalbegrenzingsgebieden 13 een zeer smalle laag 25 n-type kan worden, zij het zo zwak n-type dat tijdens bedrijf de gebieden 25 geheel gedepleerd zijn, en geen verbindingen tussen de zones 2 vormen.

In de ladingstransportkanalen 2 worden tegelijk hooggedoteerde n-type zones 26 verkregen die dun zijn t.o.v. de zones 2. De zones 26 geven een doteringsprofiel dat gunstig is voor de totale hoeveelheid lading die in de kanalen 2 kan worden opgeslagen, zoals o.a. is beschreven in het Nederlandse octrooi 181.760 (PHN 6823). De zones 25 en 26 kunnen tegelijk worden aangebracht door een uniforme doteringsstap over het hele oppervlak van de CCD-matrix.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet is beperkt tot het hier gegeven uitvoeringsvoorbeeld, maar dat binnen het kader van de uitvinding voor de vakman nog veel variaties mogelijk zijn. Zo kan in het beschreven uitvoeringsvoorbeeld de volgorde van de n- en p-doterings worden omgekeerd, waarbij derhalve eerst een uniforme n-type implantatie wordt uitgevoerd, die wordt gevolgd door een, door een masker gelocaliseerde p-type dotering. De uitvinding kan ook worden toegepast in andere, dan FT-sensoren, typen sensoren. Het maskerpatroon 20 en/of de duur van de temperatuurstap waarbij de geïmplanteerde booratomen in het substraat diffunderen kan (kunnen) zodanig geschoven worden dat de p-type oppervlaktezones 13 een aaneengesloten gebied vormen.

Claims (4)

1. Werkwijze ter vervaardiging van een ladingsgekoppelde beeldopneeminrichting van het begraven kanaaltype, waarbij een aan een oppervlak grenzend gebied van een halfgeleiderlichaam van het ene geleidingstype wordt voorzien van een aantal naast elkaar gelegen oppervlaktezones van het ene geleidingstype die de begraven kanalen van de ladingsgekoppelde inrichting vormen, en van kanaalbegrenzende oppervlaktezones van het tweede, het tegengestelde geleidingstype, tussen de oppervlaktezones van het eerste geleidingstype, zich vanaf het oppervlak tot een grotere diepte dan de oppervlaktezones van het eerste geleidingstype in het halfgeleiderlichaam uitstrekken tot onder deze oppervlaktezones en deze althans ten dele scheiden van aangrenzende delen van het halfgeleiderlichaam van het eerste geleidingstype, met het kenmerk dat de kanaalbegrenzende zones via een masker met vensters die oppervlaktedelen van het gebied die tussen de te vormen begraven kanalen zijn gelegen vrijlaat, worden gevormd, en dat de begraven kanalen worden gevormd door middel van een doteringsstap die uniform wordt uitgevoerd over het gehele gebied in een doteringsconcentratie die lager is dan de doteringsconcentratie van de kanaalbegrenzende zones.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de doteringsstappen zodanig worden uitgevoerd dat de netto doteringsconcentratie van de kanaalbegrenzende zones, in een richting dwars op het oppervlak, een maximum heeft dat op een eindige afstand van het oppervlak is gelegen.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat de doteringsstap ter verkrijging van de begraven kanalen van het eerste geleidingstype wordt uitgevoerd na de doteringsstap ter verkrijging van de kanaalbegrenzende zones van het tweede geleidingstype.

4. Beeldopneeminrichting verkregen door toepassing van een werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies.