DE102004063037A1 - CMOS-Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Chang Hun Icheon Han
Bum Sik Suwon Kim
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DongbuAnam Semiconductor Inc
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Abstract

Offenbart sind ein CMOS-Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung, bei dem die Grenze zwischen einem aktiven Bereich und einem Feldbereich durch Ionenimplantation nicht beschädigt wird. Beim Verfahren zur Herstellung eines CMOS-Bildsensors in einem Halbleitersubstrat (401) einer ersten Leitfähigkeitsart werden ein Graben ausgebildet, beidseits des Grabens im Halbleitersubstrat ein stark dotierter Dotierungsionenbereich (440) der ersten Leitfähigkeitsart erzeugt, eine Bauelement-Isolierschicht (406a) durch eine zwischen dem Graben und der Bauelement-Isolierung angeordnete Isolierschicht (406a) gebildet, auf dem Halbleitersubstrat (401) nacheinander eine Gate-Isolierschicht (122) und eine Gate-Elektrode (123) gebildet und im Halbleitersubstrat (401), zwischen der Gate-Elektrode (123) und der Bauelement-Isolierschicht (406a), ein Dotierungsionenbereich (409) einer zweiten Leitfähigkeitsart für eine Photodiode erzeugt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen CMOS-Bildsensor und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere bezieht sie sich auf einen CMOS-Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung, bei dem die Grenze zwischen einem aktiven Bereich und einem Feldbereich durch Ionenimplantation nicht beschädigt wird.
  • Erörterung des Standes der Technik
  • Im allgemeinen ist ein Bildsensor eine Halbleitervorrichtung, die optische Bilder in elektrische Signale umwandelt. Bildsensoren werden in ladungsgekoppelte Bauelemente (CCD) und Komplementär-MOS (CMOS)-Bildsensoren unterteilt. Der CCD überträgt Ladungsträger an und in einen Kondensator und speichert sie dort, wobei entsprechende MOS-Kondensatoren nahe beieinander liegen. Der CMOS-Bildsensor verwendet einen Schaltmodus, wobei MOS-Transistoren entsprechend der Pixelanzahl bereitgestellt sind, unter Anwendung der CMOS-Technologie auf der Grundlage von Peripherieschaltungen, wie einer Steuerschaltung und einer Signalverarbeitungsschaltung, und erfaßt Ausgangssignale der MOS-Transistoren.
  • Der CCD hat mehrere Nachteile. So hat er eine hohe Leistungsaufnahme und weist eine komplizierte Ansteuerung auf. Zudem kann, da zahlreiche Maskenverfahrensschritte erforderlich sind, in einem CCD-Chip keine Signalverarbeitungsschaltung verwirklicht werden.
  • Zur Beseitigung dieser Nachteile wurden jüngst Untersuchungen mit einem auf der Submikrometer-CMOS-Technologie beruhenden CMOS-Bildsensor durchgeführt. Beim CMOS-Bildsensor werden Bilder durch Ausbildung einer Photodiode und eines MOS-Transistors in einer Pixeleinheit und durch Erfassen von Signalen in einem Schaltmodus gewonnen. In diesem Fall ist aufgrund der eingesetzten CMOS-Technologie eine geringere Leistungsaufnahme gegeben. Da zwanzig Masken benötigt werden, sind die Verfahrensschritte zudem einfacher als beim CCD, der dreißig bis vierzig Masken erfordert. Damit kann eine Signalverarbeitungsschaltung im Chip integriert werden. Dies ermöglicht ein Produkt geringer Größe und verschiedene Anwendungen des Produktes.
  • Nun wird ein bekannter CMOS-Bildsensor anhand von 1 und 2 beschrieben. 1 und 2 zeigen ein Schaltbild und ein Layout, die den Aufbau einer Pixeleinheit eines bekannten CMOS-Bildsensors betreffen. Zwar können drei oder mehr Transistoren zum Aufbau eines CMOS-Bildsensors verwendet werden; der Einfachheit halber wird jedoch ein auf drei Transistoren beruhender CMOS-Bildsensor beschrieben.
  • Wie in 1 und 2 gezeigt ist, umfaßt eine Pixeleinheit 100 des CMOS-Bildsensors eine Photodiode 110 und drei NMOS-Transistoren. Die Photodiode 110 dient als Sensor. Von den drei Transistoren transferiert ein Rücksetz-Transistor Rx 120 optische Ladungen, die in der Photodiode 10 entstehen, und entlädt diese Ladungen, um Signale zu erfassen. Ein anderer Transistor, nämlich ein Treibertransistor Dx 130, dient als Emitterfolger. Ein weiterer Transistor, der Ansteuertransistor Sx 140, dient zum Schalten und Adressieren.
  • Indessen dient die Photodiode 110 im Bildsensor der Pixeleinheit als Quelle für den Rückstell-Transistor Rx 120, um den Ladungstransfer zu erleichtern. Zu diesem Zweck umfassen die Verarbeitungsschritte zur Herstellung eines Bildsensors einer Pixeleinheit den Schritt der schwachen oder starken Implantation von Dotierungsionen in einen Bereich, der einen Teil der Photodiode umfaßt, wie dies in 2 gezeigt ist.
  • Die Verfahrensschritte zur Herstellung eines Bildsensors einer Pixeleinheit gemäß dem Schnitt entlang der Linie A-A' der 2 wird anhand der 3A bis 3C beschrieben. Zum Vergleich ist in 2 ein aktiver Bereich 160 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt.
  • Wie in 3A gezeigt ist, werden eine Gate-Isolierschicht 122 und eine Gate-Elektrode 123 nacheinander auf einem P-Halbleitersubstrat 101 ausgebildet, in dem eine Bauelement-Isolierschicht 121 durch ein Verfahren zur Isolierung mit flachen Gräben (STI) gebildet wird. In diesem Fall kann, obwohl dies nicht gezeigt ist, zuvor eine P-Epitaxialschicht im P-Halbleitersubstrat 101 gebildet sein. Anschließend wird eine Photolackschicht auf die gesamte Oberfläche des Halbleitersubstrates 101 aufgebracht. Dann wird ein Photolack-Muster photolithographisch erzeugt, um einen Photodiodenbereich festzulegen. Dabei ist die Gate-Elektrode nicht durch das Photolack-Muster freigelegt.
  • In diesem Zustand werden schwach dotierte Dotierungsionen, z. B. N-Dotierungsionen, in die gesamte Oberfläche des Halbleitersubstrates implantiert, um einen schwach dotierten Dotierungsionenbereich im Halbleitersubstrat 101 mit einer vorbestimmten Tiefe zu bilden.
  • Anschließend wird, wie dies in 3B gezeigt ist, ein weiteres Photolack-Muster 125 erzeugt, und in einem Drain-Bereich der Gate-Elektrode wird ein schwach dotierter Dotierungsionenbereich für eine LDD-Struktur gebildet, wobei das Photolack-Muster 125 als Ionenimplantationsmaske verwendet wird. Zu diesem Zeitpunkt ist der schwach dotierte Dotierungsionenbereich nicht durch das Photolack-Muster 125 freigelegt.
  • Danach werden, wie dies in 3C gezeigt ist, an Seitenwänden der Gate-Elektrode 123 ein Abstandshalter 126 und auf dem N-Dotierungsionenbereich n- ein P-Dotierungsionenbereich P0 gebildet. Damit sind die Verfahrensschritte zur Erzeugung einer Photodiode abgeschlossen. Zu einem Zeitpunkt, zu dem die Photodiode fertiggestellt ist, werden stark dotierte Dotierungsionen selektiv in den Drain-Bereich der Gate-Elektrode 123 implantiert, um einen stark dotierten Dotierungsionenbereich n+ zu bilden. Schließlich werden die dem Schnitt entlang der Linie A-A' der 2 entsprechenden Verfahrensschritte abgeschlossen.
  • Beim Verfahren zur Herstellung des bekannten CMOS-Bildsensors werden in den aktiven Bereich und in die Bauelement-Isolierschicht schwach dotierte Dotierungsionen implantiert, um eine Photodiode zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt tritt in einem entsprechenden Substrat aufgrund von in die Grenze zwischen der Bauelement-Isolierschicht und dem aktiven Bereich implantierten Ionen ein Defekt auf.
  • Dieser durch eine Ionenimplantation bedingte Defekt verursacht Ladungs- oder Defektelektronen-Träger und stellt einen Rekombinierungsbereich für die Defektelektronen dar, wodurch der Leckstrom der Photodiode verstärkt wird. Dabei tritt Dunkelstrom auf, bei dem Elektronen von der Photodiode zum schwebenden Diffusionsbereich transferiert werden, wenn kein Licht vorhanden ist. Der Dunkelstrom wird entweder durch verschiedene Defekte, die in der Nähe der Siliziumoberfläche, der Grenze zwischen der Bauelement-Isolierschicht und P0, der Grenze zwischen der Bauelement-Isolierschicht und n–, der Grenze zwischen P0 und n–, dem P-Bereich und dem n-Bereich, oder durch freie Bindung verursacht. Der Dunkelstrom verschlechtert auch die Eignung des CMOS-Bildsensors für schwache Beleuchtung.
  • Gemäß US-Patent Nr. 6,462,365 sind eine Bauelement-Isolierschicht und ein Transfer-Gate in einem Teil ausgebildet, der einem Photodiodenbereich entspricht, um einen durch die Beschädigung einer Photodiode verursachten Dunkelstrom zu verringern. Obwohl verschiedene andere Verfahren zur Minimierung des Dunkelstroms vorgeschlagen wurden, gibt es kein wirksames Verfahren zur Beseitigung eines an der Grenze zwischen der Bauelement-Isolierschicht und dem aktiven Bereich durch eine Ionenimplantation verursachten Defektes.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf einen CMOS-Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung, der/das eines oder mehrere durch Beschränkungen und Nachteile des nächsten Standes der Technik bedingte Probleme im wesentlichen beseitigt.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen CMOS-Bildsensor und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, bei dem die Grenze zwischen einem aktiven Bereich und einem Feldbereich durch Ionenimplantation nicht beschädigt wird.
  • Zusätzliche Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung sind teils in der nachfolgenden Beschreibung erörtert und ergeben sich für den Durchschnittsfachmann teils beim Studium der nachfolgenden Beschreibung oder bei der Ausführung der Erfindung. Diese Ziele und weitere Vorteile der Erfindung können durch die insbesondere in der vorliegenden schriftlichen Beschreibung und den Ansprüchen sowie in den beigefügten Zeichnungen dargelegte Struktur verwirklicht und erreicht werden.
  • Um diese Ziele und andere Vorteile zu erreichen, und gemäß dem Zweck der Erfindung, wie sie hier ausgeführt und allgemein beschrieben ist, umfaßt ein CMOS-Bildsensor ein Halbleitersubstrat einer ersten Leitfähigkeitsart mit einem aktiven Bereich, der durch einen Feldbereich festgelegt ist, eine Photodiode, die in einem vorbestimmten Teil des aktiven Bereichs ausgebildet ist, eine Bauelement-Isolierschicht, die entlang des Randes der Photodiode ausgebildet ist, und einen stark dotierten Dotierungsionenbereich der ersten Leitfähigkeitsart, der beidseits der Bauelement-Isolierschicht ausgebildet ist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt werden bei einem Verfahren zur Herstellung eines CMOS-Bildsensors in einem Halbleitersubstrat einer ersten Leitfähigkeitsart ein Graben ausgebildet, beidseits des Grabens im Halbleitersubstrat ein stark dotierter Dotierungsionenbereich der ersten Leitfähigkeitsart erzeugt, eine Bauelement-Isolierschicht durch eine zwischen dem Graben und der Bauelement-Isolierung angeordnete Isolierschicht gebildet, auf dem Halbleitersubstrat nacheinander eine Gate-Isolierschicht und eine Gate-Elektrode gebildet und im Halbleitersubstrat, zwischen der Gate-Elektrode und der Bauelement-Isolierschicht, ein Dotierungsionenbereich einer zweiten Leitfähigkeitsart für eine Photodiode erzeugt.
  • Beim Schritt zur Ausbildung eines Grabens werden vorzugsweise nacheinander eine Opferoxidschicht und eine Hartmaskenschicht auf das Halbleitersubstrat aufgebracht, eine Öffnung der Opferoxidschicht und der Hartmaskenschicht in einem Feldbereich des Halbleitersubstrates erzeugt, um die Oberfläche des Substrates in der Öffnung zu belichten, und mit der Hartmaskenschicht als Ätzmaske der Graben im belichteten Substrat ausgebildet.
  • Der Schritt zur Ausbildung des stark dotierten Dotierungsionenbereiches der ersten Leitfähigkeitsart umfaßt vorzugsweise das Implantieren stark dotierter Dotierungsionen der ersten Leitfähigkeitsart auf einer oder auf beiden Seiten des Grabens unter einem vorbestimmten Neigungswinkel Θ gegenüber dem Substrat.
  • Vorzugsweise hängt der Neigungswinkel von tanθ = W/(H1 + H2) ab, wobei W für die Breite zwischen der Bauelement-Isolierschicht und der Gate-Elektrode, H1 für die Tiefe der Ionendotierung der zweiten Leitfähigkeitsart für den Photodiodenbereich und H2 für die Höhe eines Photolack-Musters steht, das bei der Implantation von halb oder stark dotierten Ionen der ersten Leitfähigkeitsart verwendet wird.
  • Der stark dotierte Dotierungsionenbereich der ersten Leitfähigkeitsart hat vorzugsweise eine Breite im Bereich von 100 Ä bis 300 Ä.
  • Die Dotierungsionen der ersten Leitfähigkeitsart sind vorzugsweise entweder B-Ionen oder BF2-Ionen.
  • Vorzugsweise wird der stark dotierte Dotierungsionenbereich der ersten Leitfähigkeitsart durch Ionenimplantation mit einer Konzentration von 1 E12 bis 1 E15 Ionen/cm2 gebildet.
  • Da vorab auf beiden Seiten des Grabens für die Bauelement-Isolierschicht ein stark dotierter Dotierungsionenbereich mit P-Leitfähigkeit gegenüber dem n-Bereich der Photodiode gebildet ist, kann bei der Ausbildung der die Photodiode umgebenden Bauelement-Isolierschicht ein durch eine Beschädigung der Grenze zwischen der Bauelement-Isolierschicht und dem n-Bereich der Photodiode verursachter Dunkelstrom minimiert werden.
  • Es versteht sich, daß sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung beispielhaft und erläuternd sind und zur näheren Erläuterung der beanspruchten Erfindung dienen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beigefügten Zeichnungen, die dazu dienen, die Erfindung noch verständlicher zu machen, und in diese Anmeldung aufgenommen sowie Teil derselben sind, zeigen eine Ausführungsformen) der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 einen Schaltplan, der den Aufbau einer Pixeleinheit eines bekannten CMOS-Bildsensors darstellt,
  • 2 ein Layout, das eine Pixeleinheit eines bekannten CMOS-Bildsensors darstellt,
  • 3A bis 3C Schnittdarstellungen, welche die Verfahrensschritte zur Herstellung eines bekannten CMOS-Bildsensors entlang der Linie A-A' in 2 darstellen,
  • 4 eine Schnittdarstellung, die den Aufbau eines CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • 5A bis 5G Schnittdarstellungen, welche die Verfahrensschritte zur Herstellung eines CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, und
  • 6 ein Layout, das eine Pixeleinheit eines CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Nun wird näher auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingegangen, die anhand von Beispielen in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. In den Zeichnungen sind, soweit möglich, durchgehend die gleichen Bezugszeichen zur Kennzeichnung gleicher oder ähnlicher Teile verwendet.
  • Nachfolgend werden ein CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung und ein Verfahren zu dessen Herstellung wie folgt beschrieben:
    6 ist ein Layout, das eine Pixeleinheit eines CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie 6 zeigt, ist ein aktiver Bereich durch einen Feldbereich festgelegt.
  • Der aktive Bereich entspricht einem Bereich innerhalb einer durchgezogenen Linie 423 in 6. Eine Gate-Elektrode eines Rücksetz-Transistors Rx 120, eine Gate-Elektrode eines Treibertransistors Dx 130 und eine Gate-Elektrode eines Ansteuertransistors Sx 140 sind so angeordnet, daß sie einen vorbestimmten Teil des aktiven Bereichs überdecken. Auf einer Seite des aktiven Bereichs ist eine Photodiode PD ausgebildet. Ein Dotierungsionenbereich der gleichen Leitfähigkeitsart wie ein Halbleitersubstrat, z. B. ein stark dotierter P-Dotierungsionenbereich P+ 440, ist im Substrat entlang der Innenseite der Photodiode ausgebildet. Dabei ist der P+-Bereich 440 an der Grenze zwischen einer Bauelement-Isolierschicht des Feldbereichs und dem Photodiodenbereich gebildet.
  • Nun wird der Aufbau des CMOS-Bildsensors eines Schnitts entlang der Linie B-B' der 6 anhand der 4 beschrieben.
  • Wie 4 zeigt, ist auf einem P++-Halbleitersubstrat 401 eine P–-Epitaxialschicht gebildet. In einem Feldbereich des Halbleitersubstrates 401 ist eine Bauelement-Isolierschicht 406a ausgebildet, um den aktiven Bereich des Halbleitersubstrates 401 zu isolieren. Eine Gate-Isolierschicht 122 und eine Gate-Elektrode 123 werden nacheinander auf einem vorbestimmten Teil des aktiven Bereiches ausgebildet, und ein Abstandshalter 129 ist an Seitenwänden der Gate-Elektrode 123 und der Gate-Isolierschicht 122 gebildet.
  • Der Photodiodenbereich ist durch die Gate-Elektrode 123 und die Bauelement-Isolierschicht 406a definiert. Er weist eine PN-Übergangsstruktur zwischen einem leicht dotierten N-Dotierungsionenbereich n- 409 und einer P-Epitaxialschicht unter dem Substrat 401 auf. Zudem ist im Substrat 401 auf einer Seite der Gate-Elektrode 123 auch ein Drain-Bereich n+ mit einer LDD-Struktur ausgebildet.
  • Indessen ist an der Grenze zwischen der Bauelement-Isolierschicht 406a und dem Photodiodenbereich ein stark dotierter P-Dotierungsionenbereich p+ 440 gebildet. Der P-Bereich p+ 440 verhindert, daß die Grenze zwischen der Bauelement-Isolierschicht 406a und dem Photodiodenbereich durch eine Ionenimplantation beschädigt wird, wenn der leicht dotierte N-Dotierungsionenbereich n- 409 für den Photodiodenbereich gebildet wird, und stellt einen Defektelektronen-Rekombinierungsbereich dar.
  • Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung des zuvor erwähnten CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung näher beschrieben:
    Wie 5A zeigt, läßt man durch einen Thermooxidationsprozeß bei hoher Temperatur eine Opferoxidschicht 402 auf einem Halbleitersubstrat 401, z. B. einem P-Monosiliziumsubstrat P++-sub 401, mit einer Dicke von 40 Ä bis 150 Ä wachsen. Zuvor kann im P-Halbleitersubstrat 401 eine P–-Epitaxialschicht P–-epi gebildet sein. Die P–-Epitaxialschicht bildet tief in einer Photodiode einen Verarmungsbereich, um die Fähigkeit einer Photodiode, bei niedriger Spannung optische Ladungen zu sammeln, zu erhöhen und die optische Empfindlichkeit zu verbessern.
  • Anschließend wird durch ein chemisches Niederdruck-Dampfabscheidvertahren eine Opfernitridschicht mit einer Dicke von 500 Å bis 1500 Å auf die Opferoxidschicht 402 aufgebracht. Die Opfernitridschicht 403 wird als Hartmaskenschicht verwendet. Die Opferoxidschicht 402 soll Spannung im Halbleitersubstrat 401 und in der Opfernitridschicht 403 abbauen. Die Opfernitridschicht 403 wird als Ätzmaske verwendet, wenn ein Graben gebildet wird, und dient während eines späteren chemisch-mechanischen Poliervorgangs als Ätz-Stopschicht.
  • Danach wird ein (nicht gezeigtes) Photolack-Muster auf dem aktiven Bereich des Substrates 401 so gebildet, daß eine Öffnung im Photolack-Muster im Feldbereich des Substrates 401 angeordnet ist. Die Opferoxidschicht 402 und die Opfernitridschicht 403 in der Öffnung werden durch einen Trockenätzvorgang mit anisotropen Ätzeigenschaften, z. B. ein reaktives Ionenätz-(RIE)-Verfahren mit dem Photolack-Muster als Ätzmaske, vollständig abgeätzt, so daß der Feldbereich des Substrates 401 freiliegt. Dann wird das Photolack-Muster entfernt.
  • Anschließend wird das Substrat 401 des freigelegten Feldbereichs durch das RIE-Verfahren um eine geringe Tiefe von 3000 Å angeätzt, wobei die verbleibende Opfernitridschicht 403 als Ätzmaskenschicht verwendet wird. Somit wird im Feldbereich des Substrates 401 ein Graben 404 gebildet.
  • In diesem Zustand werden, wie dies in 5B gezeigt ist, stark dotierte P-Dotierungsionen, z. B. B-Ionen oder BF2-Ionen, unter einem vorbestimmten Neigungswinkel in einer Konzentration von IE12 bis IE15 Ionen/cm2 in das Substrat 401 implantiert, wobei die verbleibende Opfernitridschicht 403 als Ionenimplantationsmaske verwendet wird. Damit wird an der Seite des Grabens 404 im Substrat 401 ein stark dotierter P-Dotierungsionenbereich p+ 440 gebildet. Der P-Bereich 440 hat vorzugsweise eine Breite d von 100 Å bis 300 Å.
  • Zu diesem Zeitpunkt wird der Ionenimplantationswinkel für den P+-Bereich unter Berücksichtigung von Faktoren, wie der Breite W des Grabens 404, dessen Tiefe H2 und der Höhe H1 der Opferoxidschicht 402 und der Opfernitridschicht 403 auf dem Substrat 401, bestimmt. Die Beziehung der Faktoren untereinander wird folgendermaßen ausgedrückt: tanθ = W/(H1+H2)
  • Der P+-Bereich 440 ist an der Grenze zwischen dem n-Bereich für die Photodiode und der Bauelement-Isolierschicht 406a ausgebildet, um den Dunkelstrom zu senken. Im einzelnen tritt an der Grenze zwischen der Bauelement-Isolierschicht 406a und dem Photodiodenbereich ein durch Implantation von Dotierungsionen n- für die Photodiode verursachter Defekt auf. Der Defekt verursacht Ladungsträger, die in einen schwebenden Diffusionsbereich transferiert werden, wodurch ein Dunkelstrom entsteht. Der P+-Bereich fängt die Ladungsträger ein und verhindert von vornherein das Auftreten des Dunkelstroms.
  • Unterdessen wird eine Ionenimplantation in eine Seite des Grabens 404 mehr als einmal unter einem Neigungswinkel in einer bestimmten Richtung durchgeführt. Dann werden stark dotierte P-Dotierungsionen unter einem Neigungswinkel in Gegenrichtung zur obigen bestimmten Richtung in die andere Seite des Grabens 404 implantiert. Damit werden im Substrat 401 auf beiden Seiten des Grabens 404 stark dotierte P-Dotierungsionenbereiche 440 gleicher Form gebildet.
  • Wenn die stark dotierten P-Dotierungsionenbereiche 440 auf beiden Seiten des Grabens 404 gebildet sind, wie dies in 5C gezeigt ist, läßt man durch einen Thermooxidationsprozeß eine Isolierschicht, z. B. eine Thermooxidschicht 405, mit einer Dicke von 200 Å bis 400 Å im Graben 404 auf dem Halbleitersubstrat 401 wachsen. Die Thermooxidschicht 405 dient zur Beseitigung von Schäden, die durch Plasma und durch die Implantation stark dotierter P-Ionen verursacht sind, nachdem der Graben 404 gebildet wurde. Insbesondere sollen mit der Thermooxidschicht 405 unpaarige Bindungen, die in der Atomstruktur auf dem Halbleitersubstrat 401 im Graben 404 vorliegen, beseitigt werden. Zudem dient die Thermooxidschicht 405 zur Verbesserung der Charakteristik des Übergangs zur Bauelement-Isolierschicht 406a, die später gebildet werden soll. Da die Thermooxidschicht 405 wahlweise erzeugt wird, kann der anschließende Prozeß auch ohne Bildung der Thermooxidschicht 405 durchgeführt werden.
  • Wie 5D zeigt, wird eine Isolierschicht 406 zur Bauelement-Isolierung auf die gesamte Oberfläche des Substrates 401, einschließlich des Grabens 404 und der Opfernitridschicht 403 außerhalb des Grabens 404, dick aufgebracht, um den Graben 404 ausreichend zu überdecken. Dabei entsteht vorzugsweise in der Isolierschicht 406 innerhalb des Grabens 404 vorzugsweise kein Hohlraum. Die Isolierschicht 406 kann abhängig vom Design eines Halbleitersubstrates durch eine O3-tetraethyl-ortho-silikat (O3-TEOS)-chemische Dampfabscheidung bei Normaldruck (APCVD) oder durch ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren mit hoher Plasmadichte (HDP CVD) aufgebracht werden.
  • Zwar wurde die Isolierschicht 406 als einlagige Struktur beschrieben, doch sie kann auch mehrlagige Struktur, z. B. eine doppellagige Struktur aus einer Oxid- und einer Nitridschicht, aufweisen.
  • Anschließend wird die Isolierschicht 406, wie dies in 5E gezeigt ist, durch einen chemischmechanischen Poliervorgang bis zur Bündigkeit mit der Opfernitridschicht 403 poliert. Die Isolierschicht 406 wird dann durch einen thermischen Ausheilprozeß bei hoher Temperatur verdichtet. Danach werden die Opfernitridschicht 403 und die Opferoxidschicht 402, wie dies in 5F gezeigt ist, durch ein Ätzverfahren mit HF-Lösung entfernt, um die Bauelement-Isolierschicht 406a im Graben 404 zu bilden.
  • Wenn die Bauelement-Isolierschicht 406a des CMOS-Bildsensors wie oben gebildet ist, werden die typischen Verfahrensschritte zur Herstellung eines CMOS-Bildsensors durchgeführt. Die Bauelement-Isolierschicht 406a ist so ausgebildet, daß sie den Photodioden-Bereich der 6 umgibt.
  • Wie 5G zeigt, werden die Gate-Isolierschicht 122 und die Gate-Elektrode 123 nacheinander auf einem vorbestimmten Abschnitt des aktiven Bereichs gebildet. Die Gate-Elektrode 123 kann ein Rücksetz-Transistor sein und entspricht im Falle eines auf vier Transistoren beruhenden CMOS-Bildsensors einem Transfer-Transistor. Nach der Dotierungsionenimplantation für die Photodiode kann ein schwach dotierter Dotierungsionenbereich gebildet werden.
  • In diesem Zustand wird die Photolack-Schicht auf die gesamte Oberfläche des Substrates 401 aufgebracht und selektiv strukturiert, um das Photolack-Muster zu bilden, das den Photodiodenbereich festlegt. Dabei ist die Oberfläche des Substrates 401 zwischen der Gate-Elektrode 123 und der Bauelement-Isolierschicht 406a vom Photolack-Muster freigelassen. Dann werden die schwach dotierten Dotierungsionen in die gesamte Oberfläche des Substrates 401 implantiert, um die Photodiode zu bilden. Damit wird ein schwach dotierter Dotierungsionenbereich n- 409 für die Photodiode gebildet, wodurch die Photodiode mit einer PN-Übergangsstruktur zur P–-Epitaxialschicht P–-epi des Substrates 401 fertiggestellt ist.
  • Da der schwach dotierte Dotierungsionenbereich n- 409 sich an die Bauelement-Isolierschicht 406a anschließt, können an der Grenze zwischen der Bauelement-Isolierschicht 406a und dem Photodiodenbereich Probleme, wie Elektronen- oder Defektelektronenträger und Leckstrom, entstehen. Da der stark dotierte P-Dotierungsionenbereich zuvor auf der Seite der Bauelement-Isolierschicht 406a gebildet wird und einen Defektelektronen-Rekombinierungsbereich liefert, können diese durch die Ionenimplantation zur Bildung des n- Bereichs verursachten Probleme von vornherein vermieden werden.
  • Wenngleich dies nicht gezeigt ist, werden danach halbdotierte Dotierungsionen in das Substrat 401 des Photodiodenbereichs implantiert und ein schwebender Diffusionsbereich gebildet. Das Verfahren zur Herstellung des CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung ist dann endgültig abgeschlossen.
  • Wie zuvor erwähnt, haben der CMOS-Bildsensor und das Verfahren zu dessen Herstellung die folgenden Vorteile:
    Da bei der Ausbildung der die Photodiode umgebenden Bauelement-Isolierschicht zuvor auf beiden Seiten des Grabens für die Bauelement-Isolierschicht ein stark dotierter P-Dotierungsionenbereich gegenüber dem n-Bereich der Photodiode gebildet ist, kann ein durch eine Beschädigung der Grenze zwischen der Bauelement-Isolierschicht und dem n-Bereich der Photodiode verursachter Dunkelstrom minimiert werden.
  • Für den Fachmann ist es ersichtlich, daß verschiedene Modifikationen und Änderungen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken oder vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Dabei soll die vorliegende Erfindung auch ihre Modifikationen und Änderungen umfassen, sofern diese im unmittelbaren oder äquivalenten Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims (10)

  1. CMOS-Bildsensor mit: einem Halbleitersubstrat einer ersten Leitfähigkeitsart, das einen durch einen Feldbereich festgelegten aktiven Bereich aufweist, einer in einem vorbestimmten Teil des aktiven Bereichs gebildeten Photodiode, einer entlang dem Umfang der Photodiode ausgebildeten Bauelement-Isolierschicht und einem stark dotierten Dotierungsionenbereich der ersten Leitfähigkeitsart, der beidseits der Bauelement-Isolierschicht gebildet ist.
  2. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, bei dem der stark dotierte Dotierungsionenbereich der ersten Leitfähigkeitsart eine Breite im Bereich von 100 Å bis 300 Å aufweist.
  3. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, bei dem die Dotierungsionen der ersten Leitfähigkeitsart entweder B-Ionen oder BF2-Ionen sind.
  4. Verfahren zur Herstellung eines CMOS-Bildsensors, bei dem: in einem Halbleitersubstrat einer ersten Leitfähigkeitsart ein Graben gebildet wird, auf beiden Seiten des Grabens im Halbleitersubstrat ein stark dotierter Dotierungsionenbereich der ersten Leitfähigkeitsart erzeugt wird, eine Bauelement-Isolierschicht durch eine zwischen dem Graben und der Bauelement-Isolation angeordnete Isolierschicht gebildet wird, nacheinander eine Gate-Isolierschicht und eine Gate-Elektrode auf dem Halbleitersubstrat erzeugt werden und im Halbleitersubstrat zwischen der Gate-Elektrode und der Bauelement-Isolierschicht ein Dotierungsionenbereich einer zweiten Leitfähigkeitsart für eine Photodiode gebildet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schritt zur Ausbildung eines Grabens umfaßt, daß nacheinander eine Opferoxidschicht und eine Hartmaskenschicht auf das Halbleitersubstrat aufgebracht werden, eine Öffnung der Opferoxidschicht und der Hartmaskenschicht in einem Feldbereich des Halbleitersubstrates erzeugt wird, um die Oberfläche des Substrates in der Öffnung zu belichten, und der Graben im belichteten Substrat mit der Hartmaskenschicht als Ätzmaske ausgebildet.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schritt zur Ausbildung des stark dotierten Dotierungsionenbereiches der ersten Leitfähigkeitsart das Implantieren stark dotierter Dotierungsionen der ersten Leitfähigkeitsart auf einer oder auf beiden Seiten des Grabens unter einem vorbestimmten Neigungswinkel θ gegenüber dem Substrat umfaßt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Neigungswinkel θ von tanθ = W/(H1+H2) abhängt, wobei W für die Breite zwischen der Bauelement-Isolierschicht und der Gate-Elektrode, H1 für die Tiefe der Ionendotierung der zweiten Leitfähigkeitsart für den Photodiodenbereich und H2 für die Höhe eines Photolack-Musters steht, das bei der Implantation von halb oder stark dotierten Ionen der ersten Leitfähigkeitsart verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der stark dotierte Dotierungsionenbereich der ersten Leitfähigkeitsart eine Breite im Bereich von 100 Å bis 300 Å aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Dotierungsionen der ersten Leitfähigkeitsart entweder B-Ionen oder BF2-Ionen sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der stark dotierte Dotierungsionenbereich der ersten Leitfähigkeitsart durch Ionenimplantation mit einer Konzentration von 1 E12 bis 1 E15 Ionen/cm2 gebildet wird.
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