ЗАЩИТНОЕ КОЛЬЦО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТЕМНОВОГО ТОКА Российский патент 2002 года по МПК H01L31/62 H01L27/14 

Изобретение в общем относится к полупроводниковым структурам для обнаружения фотоизлучения. В частности, настоящее изобретение относится к фотодиодам, созданным с использованием соответствующих современному уровню техники процессов производства комплементарных структур металл - оксид - полупроводник (КМОП-структур).

Ключевым компонентом систем создания изображения является фотодиодный детектор - устройство, используемое для обнаружения падающих фотонов видимого света, которые исходят от объекта, образ которого надо запечатлеть. Фотодиод подвергается воздействию падающего света, который проходит через имеющийся в фотодиоде прозрачный изоляционный слой из оксида и в расположенную в фотодиоде кремниевую область, которая может включать p-n-переход. Когда диод с p-n-переходом находится под напряжением обратного смещения, может образоваться обедненная область и, как реакция на падающие фотоны видимого света, попадающие в прозрачный изоляционный слой оксида, как внутри, так и вне обедненной области образуются электронно-дырочные пары. Созданные фотоэффектом электронно-дырочные пары переносятся под действием механизмов диффузии и дрейфа и собираются в обедненной области, в результате чего возбуждается фототок, представляющий часть образа, воздействию которого был подвергнут фотодиод.

Существенным фактором, влияющим на чувствительность фотодиода, является его способность захватывать как можно больше падающих фотонов. На чувствительность фотодиода отчасти влияет темновой ток, который представляет собой величину тока утечки диода с обратным смещением, возбужденного в фотодиоде, когда он находится в темноте, т. е. ток, возникновение которого не обусловлено светом. Темновой ток возникает в особенности на граничной поверхности между прозрачным изоляционным слоем и обедненной областью. Темновой ток обусловливает шум в сигнале, возникшем как реакция фотодиода на воздействие света. Излишний темновой ток может также обусловить уменьшение динамического диапазона считывания. Предпринимаются попытки снижения до минимума темнового тока и, таким образом, уменьшения шума в обнаруженном сигнале и сохранения динамического диапазона считывания.

Желательно снижать величину возникающего темнового тока на граничной поверхности между обедненным слоем и прозрачной изоляционной областью фотодиода.

Одним объектом изобретения является фотодиод, включающий изолирующую область, которая пропускает через себя свет. Фотодиод также включает область подложки с проводимостью первого типа и область кармана с проводимостью второго типа. Карман образован в подложке, ниже изолирующей области. Карман отграничен от подложки первой поверхностью. Фотодиод далее включает сильнолегированную область с проводимостью второго типа. Сильнолегированная область образована в изолирующей области в первом положении. Первая поверхность встречается с сильнолегированной областью по существу в первом положении.

Отличительные признаки, особенности и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из последующего подробного описания изобретения, приложенной формулы изобретения и сопроводительных чертежей, на которых:
фиг. 1 - поперечное сечение одного из вариантов фотодиода согласно настоящему изобретению,
фиг. 2 - поперечное сечение другого варианта фотодиода с защитным кольцом согласно настоящему изобретению,
фиг. 3a и 3b - поперечные сечения двух вариантов фотодиода согласно настоящему изобретению, имеющих защитные кольца разной ширины,
фиг. 4а и 4b - первый и второй варианты фотодиода согласно настоящему изобретению,
фиг. 5а - поперечное сечение одного варианта фотодиода согласно настоящему изобретению, с присоединенным к нему металлическим контактом,
фиг. 5b - примерная компоновка КМОП - фотодиода согласно настоящему изобретению и
фиг. 6 - пример возможной реализации электрической схемы фотоячейки, которая включает один из вариантов фотодиода согласно настоящему изобретению.

В последующем описании, чтобы обеспечить полное понимание настоящего изобретения, будут изложены многочисленные конкретные его детали. Однако специалист обычного уровня в данной области техники должен понимать, что изобретение может быть реализовано на практике без использования этих конкретных деталей. В некоторых случаях хорошо известные электрические схемы, структуры и технологии не будут описаны подробно, чтобы без необходимости не усложнять понимание настоящего изобретения.

На фиг. 1 показано поперечное сечение диодного фотоприемника (далее называемого фотодиодом) 100. Фотодиод 100 включает полупроводниковую подложку 104. Подложка 104 имеет образованную в ней область n-кармана 106. Далее фотодиод 100 имеет область изоляции небольшим углублением 102. Когда p-n-переход, образованный между подложкой 104 и карманом 106, находится под действием приложенного напряжения обратного смещения, в непосредственной близости к поверхности 116, которая ограничивает n-карман 106 от p-подложки 104, образуется обедненная область 114.

Темновой ток возникает в особенности на граничной поверхности между областью изоляции небольшим углублением 102 и обедненной областью 114. Так как область изоляции небольшим углублением 102 шире, чем n-карман 106, то на нижней поверхности 118 области изоляции небольшим углублением 102 образуется граничная поверхность 124 между упомянутой областью 102 и обедненной областью 114. Обнаружено, что возникновение/рекомбинация электронно-дырочных пар на нижней поверхности 118 области изоляции небольшим углублением увеличивается. Вероятно, причина повышенного уровня возникновения рекомбинации на нижней поверхности 118 области изоляции небольшим углублением заключается в поврежденных областях, существующих на нижней поверхности углубления и возникших в процессе травления области изоляции небольшим углублением. Такой процесс проводится для получения данного небольшого углубления. После выполнения процесса травления, на дне углубления остается остаточный продукт, в частности, углерод.

На фиг. 2 показано поперечное сечение одного из вариантов фотодиода 200 согласно настоящему изобретению, с сильнолегированной областью 220. Фотодиод 200 может быть частью чувствительного элемента изображения с КМОП-структурой, который может быть изготовлен при помощи современного процесса производства кремниевых КМОП-структур, такого как процесс, разработанный для производства микропроцессоров. Более того, чувствительный элемент изображения с КМОП-структурой может быть частью матрицы активных пиксельных чувствительных элементов изображения с КМОП-структурой, которая известна в данной области техники. Далее матрица активных пиксельных чувствительных элементов изображения с КМОП-структурой может использоваться в соединении с системой создания изображения, такой как цифровая видеокамера или видеоустройство.

Фотодиод 200, большей частью такой же, как и вариант фотодиода по фиг. 1, включает область кремниевой подложки 204, которая имеет проводимость первого типа, и область кармана 206, образованную в кремниевой подложке. Область кармана имеет проводимость второго типа. По описанному здесь одному из вариантов настоящего изобретения, область подложки 204 включает кремниевую подложку p-типа, а область кармана 206 включает кремниевый карман n-типа. Нужно понимать, что описанный здесь вариант настоящего изобретения также может быть реализован с использованием подложки n-типа и кармана p-типа. В одном из вариантов фотодиода согласно настоящему изобретению карман 206 может быть образован при помощи ионной имплантации подложки 204 или любых других хорошо известных процессов изготовления кармана.

Фотодиод 200 далее включает электроизолирующую область (диэлектрик) 202, которая образована наверху n-кармана 206. Эта диэлектрическая область прозрачна для света и позволяет свету проходить через нее. Диэлектрическая область 202 образована вытравливанием небольшого углубления наверху подложки. Небольшое углубление затем заполняется оксидом (SiO₂), в результате чего образуется область изоляции небольшим углублением (показана штриховыми линиями, образующими острый угол с горизонтальным направлением). Небольшие углубления и процессы изготовления этих углублений хорошо известны специалистам.

Небольшое углубление имеет ширину (в горизонтальном направлении), большую, чем ширина (в горизонтальном направлении) n-кармана 206, в результате чего оно покрывает область n-кармана 206. N-карман 206 определяется поверхностью n-кармана 216, которая ограничивает (отделяет) n-карман 206 от p-подложки 204. Когда n-карман и p-подложка находятся под напряжением обратного смещения, в поперечном направлении поблизости p-n-перехода образуется обедненная область диода. Если говорить более конкретно, обедненная область диода образуется в поперечном направлении поблизости поверхности 216 (первой поверхности), которая ограничивает n-карман 206 от подложки 204. После приложения подходящего напряжения обратного смещения к фотодиоду, как реакция на прошедший свет, упавший на область изоляции небольшим углублением, в обедненной области 214 диода может возбуждаться фототок.

Описанный здесь соответствующий настоящему изобретению вариант фотодиода 200 также включает сильнолегированную область (далее называемую защитным кольцом) 220, образованную в области изоляции небольшим углублением 202. Сильнолегированная область 220 имеет проводимость второго типа n, и, так как она сильно легирована, то обозначается как n⁺. Форма защитного кольца 220 может иметь тип любого замкнутого контура, который разделяет область изоляции небольшим углублением 202 на две области: внутреннюю область 203 и внешнюю область 205. По одному из вариантов согласно настоящему изобретению, область изоляции небольшим углублением 202 имеет прямоугольную форму, внутренняя область 203 имеет прямоугольную форму, а защитное кольцо 220 имеет округло-прямоугольную форму, как показано на фиг. 5 сопроводительных чертежей, рассматриваемой далее в этом описании.

По одному из вариантов фотодиода 200 согласно настоящему изобретению, защитное кольцо 220 образовано в области изоляции небольшим углублением 202 путем вытравливания части этой области в первом положении, определенном пунктирной линией 222, и вокруг него. Защитное кольцо 220 образовано в вытравленной части. Защитное кольцо 220 затем подвергается процессу ионной имплантации для получения сильнолегированного защитного кольца 220. Первое положение 222 может определяться как положение, где поверхность 216, которая ограничивает n-карман 206 от подложки 204, встретилась бы с нижней поверхностью 218 области изоляции небольшим углублением 202, если бы защитное кольцо 220 в области изоляции небольшим углублением 202 не было образовано. Защитное кольцо 220, следовательно, образовано так, что поверхность 216 встречает (пересекает) нижнюю поверхность защитного кольца в положении, по существу, близком к первому положению. Предпочтительно, чтобы защитное кольцо 220 было образовано в области изоляции небольшим углублением 202 таким образом, чтобы поверхность 216 пересекала нижнюю поверхность защитного кольца посередине защитного кольца.

Наличие n⁺-легированного защитного кольца 220, в первом положении, приводит к тому, что обедненная область 214 граничит с областью изоляции небольшим углублением 202 на боковой внутренней поверхности 228 внешней области 205, расположенной напротив нижней поверхности 218 области изоляции небольшим углублением 202. Защитное кольцо 220, следовательно, определяет, каким образом обедненная область 214 контактирует с областью изоляции небольшим углублением 202. Завершение обедненной области 214 на боковой поверхности 228 области 202 более предпочтительно, чем завершение обедненной области 214 на нижней поверхности 218, так как определено, что боковая поверхность 228 является более чистой (например, она содержит меньше повреждений кремниевого кристалла и меньше остаточного продукта, чем нижняя поверхность 218 области изоляции небольшим углублением). Более чистая зона граничной поверхности, между обедненной областью 214 и поверхностью 228, обусловливает меньший уровень возникновения/рекомбинации дырок и электронов на граничной поверхности между обедненной областью и областью изоляции небольшим углублением и, следовательно, меньший уровень возникающего темнового тока. Более того, так как зона контакта 224, на боковой поверхности 228 обратно пропорциональна легированию защитного кольца, защитное кольцо 220 обусловливает меньшую зону контакта между обедненной областью 214 и областью изоляции небольшим углублением, чем в случае, когда обедненная область 214 пересекает нижнюю поверхность 218 области изоляции небольшим углублением.

Защитное кольцо 220 отодвигает обедненную область от дна области изоляции небольшим углублением к ее боковой поверхности 228. Защитное кольцо 220 вызывает уменьшение зоны контакта между обедненной областью и областью изоляции небольшим углублением благодаря ретроградному легированию p-кармана, т. е. p-легирование выше находится ближе к поверхности. Таким образом, защитное кольцо 220 влияет на снижение темнового тока в варианте фотодиода согласно настоящему изобретению.

На фиг. 3a и 3b показаны частичные поперечные сечения одного из вариантов фотодиода согласно настоящему изобретению, на которых ширина защитного кольца является разной. Вариант, показанный на фиг. 3a, имеет защитное кольцо с шириной 350, которая меньше ширины 352 защитного кольца по варианту, показанному на фиг. 3b. Граничная поверхность между обедненной зоной 314 и боковой поверхностью 328 области изоляции небольшим углублением больше для защитного кольца с меньшей шириной 350 (фиг. 3а), чем для защитного кольца с большей шириной 352 (фиг. 3b). Соответственно, чем шире защитное кольцо, тем меньше зона граничной поверхности между обедненной областью и областью изоляции небольшим углублением и меньше темновой ток, возникающий вокруг этой зоны.

Хотя предпочтительными являются более широкие защитные кольца, из-за меньшей граничной поверхности на боковой поверхности 328 области изоляции небольшим углублением, чем шире защитное кольцо, тем меньше зона оптического восприятия, т. е. внутренняя область 303 области изоляции небольшим углублением. Соответственно, чем шире защитное кольцо, тем меньший темновой ток возникает, но из-за меньшей зоны оптического восприятия чувствительность диода снижается. Таким образом, для каждого конкретного процесса, оптимальная величина может быть определена, принимая во внимание чувствительность и темновой ток фотодиода.

На фиг. 4а и 4b показаны первый и второй варианты фотодиода согласно настоящему изобретению. Защитное кольцо варианта по фиг. 4а фактически подобно защитному кольцу для варианта, описанного выше. Вариант по фиг. 4b имеет часть 407, определяющую внутреннюю часть 405 и внешнюю часть 403. Однако, вместо n⁺-сильнолегированного защитного кольца, между областями 403 и 405 образуется защитное кольцо 455 из затворного слоя оксида. Слой поликремниевого затвора 453, выше тонкой пленки оксида 461, образуется выше области изоляции небольшим углублением между внутренней и внешней областями 405 и 403 соответственно. Слой поликремния силицидируется и присоединяется к заземлению. Следует отметить, что кремниевая граничная поверхность в n-кармане разворачивается в обратную сторону, когда потенциал затвора составляет 0 вольт, и во время работы потенциал кармана является положительным. Обедненная область завершается на высококачественных областях затворного слоя оксида. Область затворного слоя оксида имеет высокое качество для обеспечения хорошего функционирования полевого МОП - транзистора.

На фиг. 5а показано поперечное сечение варианта фотодиода согласно настоящему изобретению с металлическим контактом 560. N⁺-защитное кольцо также играет роль омического контакта для кармана фотодиода, так как n⁺-область является проводящей. Силицидированная область 562, наверху защитного кольца 520, также является проводящей и в типичном случае соединена с металлическим контактом 560, который подает напряжение смещения на фотодиод. Металлический контакт 560 соединен с пиксельным узлом 618, который показан далее на фиг. 6.

На фиг. 5b показана примерная компоновка КМОП - фотодиода согласно настоящему изобретению, показанного на фиг. 5а. Защитное кольцо 520 окружает внутреннюю фоточувствительную часть 503 фотодиода. N-карман включает часть, ограниченную пунктирной линией 512. Металлический контакт 560 контактирует с n⁺-защитным кольцом 520 для смещения фотодиода согласно настоящему изобретению.

На фиг. 6 показан пример возможной реализации системы создания изображения 603, такой как цифровая видеокамера или видеоустройство, со схемой ячейки активного пиксельного чувствительного элемента 600, которая включает один вариант фотодиода 602, соответствующий настоящему изобретению. Ячейка активного пиксельного чувствительного элемента может быть включена в матрицу активных пиксельных чувствительных элементов с КМОП-структурой 605. Системы создания изображения 603 могут также включать устройство управления 607, соединенное с матрицей 605, и устройство последующей обработки 609, соединенное как с матрицей, так и с устройством управления 607.

Ячейка активного пиксельного чувствительного элемента 600 включает установочный транзистор 614 и устройство истокового повторителя 616. Установочный транзистор 614 выборочно устанавливает пиксельный узел 618 на заранее определенное напряжение. Когда сигнал считывания поступил на переключающий транзистор строки 622, истоковый повторитель 616 обеспечивает напряжение, соответствующее напряжению в пиксельном узле 618, системе запечатления образа (не показана). Падающий свет вызывает падение напряжения пиксельного узла 618, обусловленное сбором электронов, фотогенерированных в обедненной области диода. Рассмотренный выше фотодиод 602, согласно настоящему изобретению включающий защитное кольцо, минимизирует отрицательный эффект темнового тока, так как этот ток существенно снижается рассмотренным выше защитным кольцом.

В изложенном выше описании изобретение было рассмотрено со ссылкой на его конкретные варианты реализации. Однако далее станет очевидным, что в нем могут быть сделаны различные модификации и изменения, не отступая от духа и объема изобретения, определяемых формулой изобретения. Описание и чертежи, соответственно, должны восприниматься в иллюстративном, а не в ограничительном смысле. Таким образом, объем изобретения должен ограничиваться только приложенной формулой изобретения.

Изобретение относится к полупроводниковым структурам для обнаружения излучения видимого диапазона. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности за счет снижения темнового тока на граничной поверхности между обедненным слоем и прозрачной изоляционной областью. Сущность: фотодиод (200) включает изолирующую область (202), которая пропускает через себя свет. Фотодиод (200) также включает область подложки (204) с проводимостью первого типа и область кармана (206) с проводимостью второго типа. Карман (206) образован в подложке (204) ниже изолирующей области (202). Карман (206) отграничивается от подложки (204) первой поверхностью (216). Фотодиод (200) далее включает сильнолегированную область (220) с проводимостью второго типа. Сильнолегированная область (220) образована в изолирующей области (202) в первом положении (222). Первая поверхность (216) встречается с сильнолегированной областью (220) по существу, в первом положении (222). 6 с. и 16 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. Фотодиод, содержащий изолирующую область, пропускающую через себя свет, область подложки с проводимостью первого типа, область кармана с проводимостью второго типа, образованного в подложке и ниже изолирующей области, при этом карман отграничен от подложки первой поверхностью, и сильнолегированную область с проводимостью второго типа, образованную в изолирующей области в первом положении, причем упомянутая первая поверхность встречается с сильнолегированной областью, по существу, в первом положении. 2. Фотодиод по п. 1, в котором сильнолегированная область представляет собой защитное кольцо с диффузией, образованное в изолирующей области. 3. Фотодиод по п. 1, в котором изолирующая область имеет, по существу, круглую форму. 4. Фотодиод по п. 1, в котором сильнолегированная область имеет, по существу, кольцевую форму. 5. Фотодиод по п. 1, в котором сильнолегированная область включает контур, который разделяет изолирующую область на внутреннюю область, окруженную сильнолегированной областью, и внешнюю область, окружающую сильнолегированную область. 6. Фотодиод по п. 5, в котором упомянутая внешняя область имеет боковую поверхность, контактирующую с сильнолегированной областью. 7. Фотодиод по п. 6, в котором обедненная область, образованная в кармане и подложке, в непосредственной близости от упомянутой первой поверхности, когда к подложке и карману приложено напряжение обратного смещения, завершается на упомянутой боковой поверхности. 8. Фотодиод по п. 1, в котором сильнолегированная область включает силицидированную верхнюю поверхность. 9. Фотодиод по п. 1, в котором изолирующая область включает область изоляции небольшим углублением. 10. Фотодиод по п. 1, в котором сильнолегированная область имеет нижнюю поверхность, которая пересекает упомянутую первую поверхность. 11. Фотодиод по п. 5, в котором защитное кольцо имеет первую ширину, а упомянутая внутренняя область имеет вторую ширину, причем соотношение первой и второй ширин находится в диапазоне, определяемом первым и вторым значениями. 12. Матрица активных пиксельных чувствительных элементов, содержащая фотоячейку, электрически реагирующую на световое воздействие, причем фотоячейка включает фотодиод, который включает область подложки с проводимостью первого типа, изолирующую область, образованную в подложке и пропускающую через себя свет, область кармана с проводимостью второго типа, образованную в подложке и ниже изолирующей области, причем карман отграничивается от подложки первой поверхностью, и сильнолегированную область с проводимостью второго типа, образованную в изолирующей области в первом положении, причем упомянутая первая поверхность встречается с сильнолегированной областью, по существу, в первом положении и создает сигнал установки электрической схемы, соединенной с фотодиодом, для инициализации фотодиода, и электрическую схему считывания, соединенную с фотодиодом, для чтения электрического сигнала, представляющего обнаруженный свет. 13. Фотодиод, содержащий область полупроводниковой подложки с проводимостью первого типа, изолирующую область, образованную в подложке и пропускающую, через себя свет, область полупроводникового кармана с проводимостью второго типа, образованную в подложке и ниже изолирующей области, при этом карман отграничивается от подложки первой поверхностью, и сильнолегированную область с проводимостью второго типа, образованную в изолирующей области, причем сильнолегированная область окружает первую часть изолирующей области и упомянутая первая поверхность пересекает сильнолегированную область. 14. Фотодиод по п. 13, в котором защитное кольцо отделяет первую часть изолирующей области от второй части изолирующей области, которая окружает упомянутую часть. 15. Фотодиод по п. 13, в котором подложка и карман, при приложении напряжения обратного смещения образуют обедненную область в непосредственной близости от упомянутой первой поверхности. 16. Фотодиод по п. 15, в котором обедненная область завершается на боковой поверхности упомянутой второй части. 17. Фотодиод по п. 13, в котором сильнолегированная область включает нижнюю поверхность и упомянутая первая поверхность встречается с сильнолегированной областью на упомянутой нижней поверхности. 18. Фотодиод по п. 17, в котором упомянутая первая поверхность пересекает упомянутую нижнюю поверхность сильнолегированной области в месте, по существу, расположенном близко к центру упомянутой нижней поверхности. 19. Фотодиод, содержащий область полупроводниковой подложки с проводимостью первого типа, электрически изолирующую область, образованную в подложке и пропускающую через себя свет, причем изолирующая область имеет первую ширину, область полупроводникового кармана с проводимостью второго типа, образованную в подложке и ниже изолирующей области, причем карман имеет вторую ширину, большую, чем упомянутая первая ширина, при этом карман отграничивается от подложки первой поверхностью, и область затворного слоя оксида, образованную над подложкой и окружающую изолирующую область, причем упомянутая первая поверхность встречается с затворным слоем оксида. 20. Фотодиод по п. 1, в котором изолирующая область имеет, по существу, прямоугольную форму и упомянутую прямоугольную контуроподобную форму, причем сильнолегированная область охватывает изолирующую область. 21. Матрица активных пиксельных чувствительных элементов, содержащая множество фотодиодов, причем каждый фотодиод включает изолирующую область, пропускающую через себя свет, область подложки с проводимостью первого типа, область кармана с проводимостью второго типа, образованную в подложке и ниже изолирующей области, при этом карман отграничивается от подложки первой поверхностью, и сильнолегированную область с проводимостью второго типа, образованную в изолирующей области в первом положении, причем упомянутая первая поверхность встречается с сильнолегированной областью, по существу, в первом положении. 22. Устройство создания изображения, содержащее устройство управления, матрицу активных пиксельных чувствительных элементов, соединенную с устройством управления и включающую изолирующую область, пропускающую через себя свет, область подложки с проводимостью первого типа, область кармана с проводимостью второго типа, образованную в подложке и ниже изолирующей области, при этом карман отграничивается от подложки первой поверхностью, сильнолегированную область с проводимостью второго типа, образованную в изолирующей области в первом положении, причем упомянутая первая поверхность встречается с сильнолегированной областью, по существу, в первом положении, и устройство последующей обработки, соединенное с устройством управления и матрицей активных пиксельных чувствительных элементов.