Патент на изобретение №2311702

Настоящее изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в производстве многоэлементных фотоприемников, в частности в видиокамерах и фотоаппаратах.

Известны методы изготовления в составе электронной МОП схемы многоэлементных фотодетекторов, разделяющих цвета принимаемого излучения по глубине его проникновения в структуру (с вертикальным фильтром цветов), описанные в патентах США: №5965875 «Разделение цветов в ячейках фотоприемной матрицы, использующее трехслойную структуру», №6632701 В2 «Детекторы с вертикальным фильтром цветов и матрица из них», №6727521 В2 «Детекторы с вертикальным фильтром цветов и матрица из них».

Предложенные в них устройства и методы их изготовления основываются на формировании многослойной полупроводниковой структуры из локальных в пределах фотодетектора заглубленных областей с чередующимся типом проводимости и вертикальных вставок, выводящих каждую из заглубленных областей на поверхность.

Формирование транзисторов обслуживающей фотодетекторы электронной схемы предполагается стандартным. При этом не используются возможности технологии изготовления многослойных фотодетекторов для формирования компонентов электронной схемы с улучшенными характеристиками, в частности МОП транзисторов с дополнительной изоляцией от подложки, полевых транзисторов с управляющим p-n переходом и биполярных транзисторов.

Наиболее близким к заявленному изобретению является метод изготовления, описанный в патенте США №6632701 В2.

Указанный метод включает:

подготовку полупроводниковой подложки первого типа проводимости,

формирование одного или более эпитаксиальных слоев первого типа проводимости с предварительным формированием на границе слоев заглубляемых областей первого типа проводимости и над ними заглубляемых областей второго типа проводимости, противоположного типу проводимости подложки,

формирование в каждом эпитаксиальном слое областей вертикальных вставок, контактирующих с одной стороны с заглубленными областями того же типа проводимости, а с другой – с приповерхностным диэлектриком или с приповерхностными областями, одноименных со вставками типов проводимости,

формирование приповерхностных областей первого и второго типов проводимости,

формирование n-МОП и p-МОП транзисторов.

Однако этот метод и другие известные методы изготовления фотодетекторов с вертикальным фильтром цветов в составе электронной схемы считывания и обработки сигналов имеют недостатки.

Компоненты электронной схемы, в которую включены фотодетекторы (n-МОП и p-МОП транзисторы), формируются стандартно, что приводит к зашумлению сигналов фотодетекторов, проходящих через эти компоненты, пульсациями и наводками, проникающими по общей подложке. Это снижает пороговую чувствительность многоэлементного фотоприемника.

Электронная схема, использующая только КМОП компоненты, не обеспечивает предельную пороговую чувствительность и быстродействие фотоприемника соответственно из-за повышенного шума n-МОП и p-МОП транзисторов и их недостаточной крутизны.

Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение изоляции МОП транзисторов от подложки в электронной схеме, обслуживающей фотодетекторы, снижение шума в усилителях сигналов фотодетекторов и увеличение быстродействия схем считывания и обработки сигналов.

Указанный результат достигается за счет того, что в известном методе изготовления фотодетекторов с вертикальным разделением цветов и транзисторов в одной интегральной схеме, включающем:

подготовку полупроводниковой подложки первого типа проводимости,

формирование одного или более эпитаксиальных слоев первого типа проводимости с предварительным формированием на границе слоев заглубляемых областей первого типа проводимости и над ними заглубляемых областей второго типа проводимости, противоположного типу проводимости подложки,

формирование в каждом эпитаксиальном слое областей вертикальных вставок, контактирующих с одной стороны с заглубленными областями того же типа проводимости, а с другой – с приповерхностным диэлектриком или с приповерхностными областями одноименных со вставками типов проводимости,

формирование приповерхностных областей первого и второго типов проводимости,

формирование n-МОП и p-МОП транзисторов, предложено:

для изготовления МОП транзисторов с дополнительной изоляцией от подложки, транзисторов с управляющими p-n переходами и биполярных транзисторов перед формированием транзисторов указанных типов формируют изолирующие их оболочки, каждая из которых содержит заглубленную область и вставку с таким же типом проводимости, охватывающие транзистор, причем все области, составляющие изолирующие оболочки и сами транзисторы, получают в тех же технологических операциях, что и области фотодетекторов.

Указанный выше технический результат достигается совокупностью перечисленных выше признаков изобретения.

Улучшение изоляции МОП транзисторов от подложки достигается благодаря формированию изолирующих оболочек, каждая из которых содержит заглубленную область и вставку с таким же типом проводимости, охватывающие транзистор. Низкоомная изолирующая оболочка и непроводящие области обедненных носителями p-n переходов этой оболочки с подложкой создают фильтр, значительно ослабляющий проникновение паразитных сигналов из подложки в транзистор.

Предельную пороговую чувствительность фотоприемника получают благодаря формированию в качестве входных компонентов предусилителей малошумящих полевых транзисторов с управляющими p-n переходами или биполярных транзисторов.

Увеличение быстродействия обеспечивает формирование биполярных и КМОП компонентов в совокупности.

Причем все области, составляющие указанные транзисторы, получают в тех же технологических операциях, что и области фотодетекторов.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих метод изготовления фотодетекторов с фильтром разделения цветов совместно со схемой считывания и обработки их сигналов согласно настоящему изобретению:

Фиг.1а, б, в, г, д иллюстрируют последовательность формирования полупроводниковой структуры фотодетекторов с вертикальным разделением цветов.

Фиг.2 показывает полупроводниковую структуру фотодетектора с вертикальным разделением цветов, сформированную методом, представленным на фиг.1а, б, в, г, д (прототип).

Фиг.3 показывает полупроводниковую структуру n-МОП транзистора с дополнительной изоляцией от подложки, сформированную согласно предлагаемому методу.

Фиг.4 показывает последовательность формирования полупроводниковой структуры полевого транзистора p-типа с управляющими p-n переходами согласно предлагаемому методу.

Фиг.5 показывает последовательность формирования полупроводниковой структуры биполярного транзистора n-p-n типа согласно предлагаемому методу.

Метод изготовления группы фотодетекторов с вертикальным фильтром цветов и транзисторов включает:

подготовку полупроводниковой подложки 1 первого типа проводимости (в типичной реализации, p-типа с концентрацией акцепторов 10¹⁵ см^-3),

формирование заглубляемых областей 2 первого типа проводимости (p-типа с концентрацией акцепторов 10¹⁶ см^-3, полученные имплантацией бора на глубину около 0,5 мкм), над ними заглубляемых областей 3 второго типа проводимости (n-тип с концентрацией доноров 10¹⁷ см^-3, полученные имплантацией фосфора с энергией 50 кэВ), противоположного типу проводимости подложки (см. фиг.1а), выращивание первого эпитаксиального слоя 4 первого типа проводимости (p-тип с концентрацией акцепторов 10¹⁵ см^-3, толщиной 2 мкм), формирование внутри эпитаксиального слоя областей вертикальных вставок 5 второго типа проводимости (см. фиг.16), противоположного типу проводимости подложки (n-тип с концентрацией доноров 10¹⁷ см^-3, полученные комбинированно имплантацией фосфора с энергией 1200 кэВ и 600 кэВ с последующим отжигом для смыкания этих двух областей), а у его поверхности (см. фиг.1в) заглубляемых областей 6 первого типа проводимости (p-типа с концентрацией акцепторов 10¹⁶ см^-3, полученные имплантацией бора на глубину около 0,5 мкм), над ним заглубляемых областей 7 второго типа проводимости (n-тип с концентрацией доноров 10¹⁷ см^-3, полученные имплантацией фосфора с энергией 50 кэВ), выращивание второго эпитаксиального слоя 8 первого типа проводимости (p-тип с концентрацией акцепторов 10¹⁵ см^-3, толщиной 0,7-1 мкм), формирование внутри него (см. фиг.1г) областей вертикальных вставок 9 первого типа проводимости и вертикальных вставок 10 второго типа проводимости (соответственно p-тип и n-тип с концентрацией 10¹⁷ см^-3, полученные комбинированно имплантацией примесей с энергией 500 и 100 кэВ с последующим отжигом для смыкания этих двух областей, т.е. они выполняются как обычные для КМОП технологии p-well и n-well), формирование приповерхностных областей (см. фиг.1д) первого 11 и второго 12 типов проводимости (соответственно p-тип и n-тип, выполняемые как обычные для КМОП технологии сток-истоковые области).

Фотодетектор с вертикальным фильтром цветов, как показано на фиг.2, формируется комбинацией приведенных выше операций, формирующих области 2, 3, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12 в подложке 1, первом 4 и втором 8 эпитаксиальных слоях. Области 3, 5, 10, 12 формируют катод красного фотодиода 13 и контакт к нему с поверхности. Области 7, 10, 12 формируют катод зеленого фотодиода 14 и контакт к нему с поверхности, отдельная область 12 образует катод 15 и поверхностный контакт к нему у голубого фотодиода, области 1, 4, 8, 9, 11 образуют общий анод всех фотодиодов и контакт к нему с поверхности.

Области 2 и 6 служат потенциальными барьерами для диффузионной взаимосвязи фотодиодов разных цветов.

Изолирующая оболочка 16 n-МОП транзистора формируется, как показано на фиг.3, комбинацией операций, формирующих области 7, 10, 12 в первом 4 и втором 8 эпитаксиальных слоях, стоковая и истоковая области – комбинацией операций, формирующих области 10 и 12 на поверхности второго эпитаксиального слоя 8.

Полевой p-канальный транзистор с управляющими p-n переходами формируется, как показано на фиг.4, комбинацией операций, формирующих области 7, 9, 10, 11, 12, в первом 4 и втором 8 эпитаксиальных слоях. Изолирующая оболочка 16 одновременно является вторым затвором, а область 12 – первым затвором транзистора. Внутренние области 9 и 11 являются его стоком и истоком, внешние – контактом к подложке.

Биполярный n-p-n транзистор формируется, как показано на фиг.5, комбинацией операций, формирующих области 7, 10, 11, 12 в первом 4 и втором 8 эпитаксиальных слоях. Изолирующая оболочка 16 одновременно является коллектором, область 11 – базой, область 12 – эмиттером.

Настоящее описание изобретения, в том числе предлагаемый вариант его реализации, не исключает его дальнейшее возможное совершенствование специалистами и не содержит каких-либо ограничений в части реализации. Все притязания сформулированы исключительно в формуле изобретения.

Формула изобретения

Метод изготовления группы фотодетекторов с вертикальным фильтром цветов и транзисторов, включающий подготовку полупроводниковой подложки первого типа проводимости, формирование одного или более эпитаксиальных слоев первого типа проводимости с предварительным формированием на границе слоев заглубляемых областей первого типа проводимости и над ними заглубляемых областей второго типа проводимости, противоположного типу проводимости подложки, формирование в каждом эпитаксиальном слое областей вертикальных вставок, контактирующих с одной стороны с заглубленными областями того же типа проводимости, а с другой – с приповерхностным диэлектриком или с приповерхностными областями, одноименных со вставками типов проводимости, формирование приповерхностных областей первого и второго типа проводимости, формирование n-МОП- и p-МОП-транзисторов, отличающийся тем, что для изготовления МОП-транзисторов с дополнительной изоляцией от подложки, транзисторов с управляющими p-n-переходами и биполярных транзисторов, перед формированием транзисторов указанных типов формируют изолирующие их оболочки, каждая из которых содержит заглубленную область и вставку с таким же типом проводимости, охватывающие транзистор, причем все области, составляющие изолирующие оболочки и сами транзисторы, получают в тех же технологических операциях, что и области фотодетекторов.

РИСУНКИ