DD226744A3 - Sensor fuer ladungsgekoppelte halbleiterabbildungsvorrichtungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Konzept fuer empfindliche ladungsgekoppelte Strahlungsempfaenger. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine ladungsgekoppelte Halbleitersensoranordnung mit folgenden Eigenschaften zu entwickeln: - hohe Lichtempfindlichkeit im kurzwelligen Bereich-grosser Dynamikumfang bei guter zeitlicher Aufloesung im Bereich kleiner Signale-Moeglichkeit einer totalen Ladungsextraktion aus dem Sensorbereich-sehr gute Linearitaet zwischen Lichtmenge und im Speichergebiet gesammelter Signalladung-geringes DunkelsignalErfindungsgemaess ist der Sensor in einen Speicherteil und einen strahlungsempfindlichen Teil, den "vergrabenen Fotosensor", unterteilt, wobei die im "vergrabenen Fotosensor" generierten Ladungstraeger kontinuierlich in den Speicherteil fliessen, im Speicherteil gesammelt werden und aus dem Speicherteil zu gegebenem Zeitpunkt ueber ein kurzes Transfergebiet direkt in das Speichergebiet eines CCD-Schieberegisters fliessen. Der strahlungsempfindliche Teil wird in vertikaler Richtung zur Oberflaeche hin durch ein auf Substratpotential liegendes Kanal-Stoper-Gebiet begrenzt, wodurch sich eine Deckelektrode eruebrigt.

Description

Titel der Erfindung

Sensor für ladungsgekoppelte Halbleiterabbildungsvorriclitungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Gebiete der Mikroelektronik und Optoelektronik und beinhaltet ein neuartiges Konzept für empfindliche ladungsgekoppelte Strahlungsempfänger·

Diese Sensorzeilen werden als optische Empfänger in vielen Bereichen der Industrie in Verbindung mit modernen Industrieanlagen und -geräten der Meßtechnik, der Steuerungsund Regelungstechnik und Automation, speziell im ?ferkzeugmaschinenbau und in der Robotertechnik eingesetzt. Sie erhalten je nach gefordertem Auflösungsvermögen 256 bis 2048 Bildelemente.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

. Die Anwendung von CCD-Schieberegistern zum seriellen Auslesen analoger optischer Informationen ist bereits seit längerem bekannt. Üblicherweise werden als Sensorelemente hierbei CCD-Elemente mit einer lichtdurchlässigen Deckelektrode aus PoIy-Si benutzt, wobei jedoch durch die Lichtabsorption innerhalb dieser Poly-Si-Elektroden, insbesondere im kurzwelligen Teil des Spektrums, die Empfind-

lichkeit der Anordnung stark reduziert wird.

In letzter Zeit wurden zur Verbesserung der Empfindlichkeit daher Anordnungen vorgeschlagen, bei welchen die Sensorelemente durch Photodioden gebildet werden, welche z.*B. über ein getaktetes Koppelgate oder über eine Kombination eines getakteten Koppelgates mit einem statisch betriebenen Abschirmgate an das Schieberegister angeschlossen sind oder welche über ein statisches Gate zunächst mit besonderen Ladungsspeichergebieten verbunden sind, welche wiederum auf übliche Weise mit einem getakteten Koppelgate an das Schieberegister angekoppelt werden.

Den letztgenannten Varianten mit diffundierten oder implantierten Fotodioden (n⁺-Gebieten bei η Silicon-Gate-Technologie) sind folgende Uachteile gemeinsam:

1« Bei der Übertragung von zeitlich sich schnell verändernden kleinen Signalen kann eine zeitliche "Verschmierung" der Signaländerung über mehrere Abtastperioden auftreten, insbesondere bei kurzen Lichtintegrationszeiten und relativ großer Sensorkapazität· Ursache hierfür ist die exponentielle Übertragungscharakteristik eines MOS-Transistors im Bereich sehr kleiner Ströme (sog. "Subthresholdbereich").

Beispielsweise tritt bei derartigen optischen CCD-Sensoranordnungen für den Fall einer plötzlichen Beleuchtungsänderung von absoluter Dunkelheit auf einen Wert von 0,5 % des Maximalsignals bei einer Lichtintegrationszeit von 1 ms eine "Verschmierung" des Beleuchtungssprunges über mehr als 3 Abtastperioden auf, wenn für die Photodiodensensoren ein Dunkelstrom von 1 nA/cm , eine mittlere Eaumladungstiefe von 3 /um und ein maximaler Spannungshub von 5 V vorausgesetzt wird· Die Verhältnisse werden noch wesentlich ungünstiger, wenn die CCD-Anordnung zur Senkung des Dunkelstromes

gekühlt oder wenn die Sensorkapazität größer wird als die Kapazität der Speicherelektroden im Schieberegister.

Praktisch kann bei Anwendung· der genannten Sensorelemente aus obigen Gründen der große Dynamikbereich einer CCD-Anordnung (1 : 500 bis 1 : 1000) bereits bei normalen Betriebsbedingungen nicht voll ausgenutzt werden·

2. Die n⁺-Gebiete der Sensorelemente sind empfindlich gegenüber Influenzladungen äußerer elektrischer Felder, so daß optische Signale durch äußere elektrische Störungen vorgetäuscht werden können, z, B. durch bewegte statisch aufgeladene Körper.

3. Wenn die Herstellung der η -Gebiete im Sensorbereich gleichzeitig mit der Herstellung der Source-Drain-Gebiete erfolgen soll, ist im Allgemeinen ein Kompromiß im Hinblick auf die Empfindlichkeit bei kurzwelligem Licht erforderlich, da zur sicheren Kontaktierung der Source-Draingebiete eine relativ große Eindringtiefe derselben benötigt wird. Damit kann die Ausbildung einer störenden "toten Schicht" in der Uahe der Oberfläche, innerhalb derer die optisch angeregten Minoritätsträger rekombinieren, ohne zum Signalstrom beizutragen, kaum vermieden werden.

4. Da im Gegensatz zu CCD-Sensorelementen mit Deckelektrode eine völlige Verarmung der n⁺-Gebiete an Elektronen unmöglich ist, können durch Schwankungen der Taktamplitude am Photokoppelgate unterschiedliche Ladungsmengen ins Schieberegister übernommen werden, wodurch ebenfalls Störsignale entstehen.

Zu deren Unterdrückung ist ein zusätzliches statisches Gate erforderlich, wodurch insbesondere bei CCD-Matrixanordnungen die mögliche Packungsdichte der Sensorelemente begrenzt wird.

5. Die Kapazität/Flächeneinheit bei n⁺-Sensorelementen wird durch den Wegfall der Kapazität zur Deckelektrode wesentlich verringert, v/o durch bei Matrixanordnungen wiederum der Dynamikbereich eingeschränkt wird.

In letzter Zeit sind Anordnungen bekannt geworden, bei denen CCD-Zellen mit vergrabenem Kanal im Ealbleiteroberflächenbereich mit einer dünnen Inversionsschicht überdeckt sind, wobei diese Inversionsschicht das Halbleiterinnere gegen äußere elektrische Felder abschirmt. Diese Inversionsschicht wirkt wie eine scheinbare Elektrode, man nennt sie eine "Virtual Phase". Diese Anordnungen bedürfen keiner Deckelektrode, man kann in einer solchen CCD-Zelle mit "Virtual Phase" Ladungsträger durch Bestrahlung generieren lassen, sie kann als Potosensor arbeiten. In einer Anordnung mit "Virtual Phase" treten jedoch im unmittelbar an die Inversionsschicht angrenzenden Bereich hohe elektrische Feldstärken auf, da in der CCD-Zelle die Potentialmulde eine gewisse energetische Mindesttiefe besitzen muß und damit zwischen der Potentialmulde und der Inversionsschicht, welche auf Substratpotential liegt, merkliche Potentialdifferenzen in der Größenordnung von 10 eV auftreten·

Die für Avalanchegeneration im Silizium kritische Feldstärke liegt bei 3 · 10^ V/cm, dieser Wert darf nicht überschritten werden. Dadurch sind der Dimensionierung von CCD-Zellen mit "Virtual Phase" relativ enge Grenzen gesetzt, das eingebrachte Dotierungsprofil unterliegt Einschränkungen (gegenüber CCD-Zellen mit Deckelektrode).

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die im vorigen Abschnitt genannten Einschränkungen und Uachteile, die mit den bekannten technischen Lösungen verbunden sind, weitgehend zu vermeiden·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine ladungsgekoppelte Halbleitersensoranordnung zu schaffen, welche eine hohe Lichtempfindlichkeit im kurzwelligen Bereich des Spektrums (oder eine hohe Empfindlichkeit gegenüber einer anderen Strahlung mit geringer Sindringtiefe im Si), einen großen Dynamikumfang bei guter zeitlicher Auflösung im Bereich kleiner Signale, die Möglichkeit einer totalen Ladung sextraktion aus dem Sensorbereich, sowie eine große Kapazität pro ilächeneinheit aufweisen und dabei unempfindlich gegenüber äußeren Störfeldern und kleinen Schwankungen der Takt amplitude sind. Weiterhin ging es darum, den Transfer der Ladung aus den Sensorelementen in die CCD-Schieberegister in kürzester Zeit zu ermöglichen, wobei die geforderte Phasenlage zwischen den angewandten Steuerimpulsen einfach und im kompliziert bleibt und Zusatzfunktionen, wie z. B· Weißwertgenerierung, voll erfüllt werden·

Erfindungsgemäß werden die genannten Ziele durch Anwendung eines neuartigen Typs von Sensor-Element en, einer speziellen, auf dem Chip integrierten elektronischen Schaltung sowie eines speziellen Eingangsteils der CCD-Schieberegister erreicht·

Ein Kerngedanke dieser Erfindung ist es, das Sensorelement zu unterteilen in einen Speicherteil und in den eigentlichen strahlungsempfindlichen Teil, wobei dieser letztere Teil kein CCD-Element und keine Fotodiode darstellt.

Im weiteren Teil dieser Erfindungsbeschreibung wird dieser spezielle strahlungsempfindliche Teil als "vergrabener Fotosensor" bezeichnet·

Der "vergrabene Potosensor" wird aus einem Substratgebiet

gebildet, in dem eine Dotierungsaone vom zum Substrat urngels ehrt en Leitungstyp eingebracht wird, wobei diese Dotierungszone sowohl in lateraler Richtung als auch in vertikaler Richtung zur Oberfläche hin, durch Kanal-Stopper-Gebiete begrenzt wird.

Das die Dotierungszone überdeckende Kanal-Stopper-Gebiet hat eine Eindringtiefe, die merklich kleiner ist als die vertikale Ausdehnung der Dotierungszone.

Die in dieser Dotierungszone verbleibende Gesamtmenge an nicht kompensierten Dotierungsatomen des zum Substrat umgekehrten Leitungstyps wird so gering gehalten, daß in der Dotierungszone, wenn diese völlig von freien Ladungsträgern verarmt wird, der sich herausbildende Extremwert des elektrostatischen Potentials einen nur kleinen Wert (bezogen auf Substratpotential) erreicht, wobei das elektrostatische Potential tief im Substrat sowie in der die Dotierungszone überdeckenden Kanal-Stopper-Schicht den Bezugswert des Substrat-Potentials erreicht. Die so entstandene Potentialmulde ist in ihrer Tiefe energetisch zu klein, um selbständig merkliche Ladungsmengen zu speichern, Der Extremwert des Potentials ist energetisch zu gering vom Substrat-Potential entfernt, als daß mit dieser Anordnung irgendein praktisch nutzbarer Koppel- oder Transferkanal zwischen zwei Ladungsspeichergebieten realisiert werden könnte. Die Anordnung des "vergrabenen Fotosensors'¹ ist somit weder erklärbar noch vergleichbar mit bekannten CCD-Element-Konstruktionen.

Die Anordnung des "vergrabenen Fotosensors" dient der Generierung von elektrischer Ladung durch einfallende Strahlung und dem Transport dieser Ladung in den Speicherteil. In dieser Funktion hat der "vergrabene Fotosensor" vorzügliche Eigenschaften. Die laterale Begrenzung des "vergrabenen Fotosensors" kann durch genügend tief eingebrachte Kanal-Stopper-Gebiete erfolgen.

Insbesondere ist es möglich, die Dotierungszone im ''vergrabenen Fotosensor" bei ihrer Einbringung nur auf den geometrischen Bereich des "vergrabenen Fotosensors" (und des Speicherteiles) zu beschränken. Dann genügt zur Strukturierung der 'Vergrabenen Fotosensoren" das großflächig eingebrachte, die Dotierungszone überdeckende Kanal-Stopper-Gebiet. Während dieses Kanal-Stopper-Gebiet zusammen mit der Dotierungszone und dem darunterliegenden Substrat den "vergrabenen Fotosensor" formt, wirkt es in den Gebieten ohne Dotierungszone, v/o es direkt das Substratgebiet überdeckt, als normales Kanal-Stopper-Gebiet·

Da die energetische Tiefe der Potentialmulde im "vergrabenen Fotosensor" klein ist, entstehen im Bereich unmittelbar unter der die Dotierungszone überdeckenden Kanal-Stopper-Schicht keine für die Entstehung einer Avalanchegeneration kritischen elektrischen Feldstärken.

Die Oberfläche des "vergrabenen Fotosensors" verarmt infolge des die Dotierungszone überdeckenden Kanal-Stopper-Gebietes nicht,

Dadurch gibt es keine Oberflächengeneration, die für ein normales CCD-Element die Hauptkomponente des Dunkelsignales bildet.

Der "vergrabene Fotosensor" zeichnet sich somit durch geringsten Dunkelstrom aus.

in den "vergrabenen Fotosensor" schließt sich unmittelbar ein Speichergebiet an. Dieses Speichergebiet ist als bekanntes CCD-Speicherelement ausgeführt, bevorzugterweise als CCD-Element mit vergrabenem Kanal. Dieses Speichergebiet besteht aus einem Substratgebiet, in dem eine Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten leitungstyp eingebracht wird. Diese Dotierungszone reicht von der Oberfläche bis in eine gewisse Tiefe. An die Oberfläche des Halb-

leiters schließt sich (in vertikaler Kichtung) eine Isolatorschicht an, die ihrerseits von einer Elektrode, z. B. aus einer 1. polykristallinen Si-Schicht bestehend, bedeckt wird. Werden über einen angekoppelten Ladungstransportkanal aus der Dotierungszone des Speicherteiles sämtliche freien Ladungsträger abtransportiert, so bildet sich ein Verlauf des elektrostatischen Potentials heraus, wie er für CCD-Elemente mit vergrabenem Kanal typisch ist.

Das Potential erreicht im Inneren der Dotierungszone einen Extremwert· Vom Extremwert ausgehend, nähert es sich in Richtung Substrat dem Substratpotential, in Hichtung Deckelektrode dem Potential dieser. Der Extremwert des Potentials im (verarmten) Speichergebiet und somit die Tiefe der Potentialmulde hängt vom Dotierungsprofil, von der Isolatordicke und vom Potential der Deckelektrode ab. Erfindungsgemäß werden die Parameter so gewählt, daß dieser Extremwert wesentlich größer als jener vom "vergrabenen Fotosensor" ist. Die freien Ladungsträger aus der Dotierungszone des "vergrabenen Fotosensors" fließen somit in den Speicherteil und werden aus diesem über den angekoppelten Ladungstransportkanal abtransportiert, die Dotierungszone des "vergrabenen Fotosensors" ist ständig an freien Ladungsträgern verarmt·

Der 'Vergrabene Fotosensor" bedarf keiner ihn überdeckenden Elektrode. Es entfallen dadurch sämtliche solchen Elektroden anhaftenden Verluste infolge teilweiser Absorption der auftretenden Strahlung. Bei Bestrahlung mit Licht wird eine ausgezeichnete Blauempfindlichkeit erreicht. Sämtliche im "vergrabenen Fotosensor" generierten Ladungsträger fließen kontinuierlich in den Speicherteil des Sensors und werden dort gesammelt. Die Verarmungszonen und die damit verbundenen elektrischen Felder im "vergrabenen Fotosensor" ändern sich dadurch während der Lichtintegrationsperiode praktisch nicht, so daß die Ladungssarameleffizienz des "vergrabenen Fotosensors" unabhängig von der einfallenden

Lichtmenge ist. Dadurch wird eine exzellente Linearität zwischen Lichtmenge und im Speicherteil gesammelter Signalladung erreicht·

Aus dem Speicherteil werden unbeeinflußt von eventuellen Schwankungen der Betriebsspannungen am Bauelement (z. B. überlagerter "Hetzbrumm") sämtliche gesammelten Ladungen über das der Kopplung dienende Transfergebiet in das CCD-Schieberegister abtransportiert, wenn die Wahl der Betriebsspannungen derart erfolgt, daß, bei geöffnetem Transfergebiet, die potentielle Energie im Speichergebiet des CCD-Registers niedriger ist als im völlig von Ladungsträgern entblößten Speicherteil des Sensors·

Dadurch erfolgt keine zeitliche "Verschmierung" der Signaländerung über mehrere Abtastperioden bei der Übertragung von sich zeitlich schnell veränderten kleinen Signalen, wie sie bei bekannten Sensoren ohne Deckelektrode in der Ausführung als einfache Dot ie rungs schicht vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp (Photodiodentyp) erfolgt.

Die zum konstruktiven Aufbau des "vergrabenen Fotosensors" gehörende obenliegende Kanal-Stopper-Schicht schirmt, neben ihrer Punktion zur Einstellung des inneren Potentialverlauf es, gegen äußere elektrische Felder ab, so daß diese, im Gegensatz zu Sensoren des Fotodioden-Typs, keine Störsignale hervorrufen können·

Durch die Aufteilung des Sensors in einen Speicherteil und den "vergrabenen Fotosensor" erreicht man eine räumliche Trennung zwischen Lichteinfallsgebiet und CCD-Schieberegister, welche vorteilhaft zur Vermeidung von optischer Überkopplung ins Schieberegister ist.

Falls die durch das Vorhandensein des Speicherteiles geschaffene Distanz nicht groß genug ist, kann man in einfacher Weise die räumliche Trennung vergrößern. Es genügt,

nur ein Teilgebiet des "vergrabenen Fotosensors" zu bestrahlen und die restlichen Gebiete des Sensors mit einer lichtundurchlässigen Schicht abzudecken. Der nicht bestrahlte Teil des "vergrabenen Fotosensors" dient dann als Transportkanal vom bestrahlten Teilgebiet zum Speicherteil des Sensors.

Die Dotierungszonen mit zum Substrat umgekehrten Leitungstyp im "vergrabenen Fotosensor" und im Speicherteil können in einer gemeinsamen technologischen Schrittfolge als zunächst einheitliches Gebilde eingebracht werden, da erfindungsgemäß beim "vergrabenen Fotosensor" die die Dotierungszone überdeckende Kanal-Stopper-Schicht gewollt eine gewisse Bindringtiefe erreicht (und nicht etwa nur eine ertrem dünnen Oberflächenschicht bildet) und somit einen Teil der ursprünglich eingebrachten Störstoffatome der Dotierungszone kompensiert. Mt größer werdender Eindringtiefe (bei einem Implantationsprozeß direkt über die Implantationsenergie steuerbar) verringert sich die Tiefe der Potentialmulde des an freien Ladungsträgern verarmten "vergrabenen Fotosensors". Es ist dadurch technologisch kein Problem, die benötigten kleinen Potential-Extrem-Werte im "vergrabenen Fotosensor" zu realisieren.

Die Gesamtdosis des die Dotierungszone überdeckenden Kanal-Stopper-Gebietes wird nicht größer als für die gewollten Effekte notwendig gewählt, um das Entstehen von auf die Foto generation bezogenen "toten Schichten" zu vermeiden. Von einer "toten Schicht" spricht man, wenn die Lebensdauer der fotogenerierten Ladungsträger in solch einer Schicht extrem kurz wird (z. B. bei Dotierungskonzentrationen an der Oberfläche von größer 10 cm ), so daß praktisch alle generierten Ladungsträger wieder rekombinieren, bevor sie das eigentliche Ladungssammelgebiet erreichen (zur Problematik "tote Schicht" siehe DDR-Pat ent anm. WP H 0 1 L/122154).

.Durch die realisierte geringe Tiefe der Potentialmulde im Sensorteil bedarf es auch im Speicherteil keiner extrem tiefen Potentialmulden, um eine für praktische Fälle ausreichende Speicherkapazität zu erreichen. Man darf davon ausgehen, daß die Differenz der Potential-Extremwerte zwischen dem an freien Ladungsträgern verannten "vergrabenen Fotosensor" und dem Speicherteil in den meisten praktischen Anwendungen nicht allzu groß gewählt werden muß. Vorteilhafterweise genügt es, die Deckelektrode des Speicherteiles auf Substratpotential zu legen.

Der an den Speicherteil angekoppelte Ladungstransportkanal besteht aus einem 2-Phasen-CCD-Register mit sich überlappenden Elektroden. Während eine 1. Elektrodenebene die Speichergebiete überdeckt, kontrolliert eine 2. Blektrodenebene die Transfergebiete.

Die eigentliche Kopplung der Sensoren an das CCD-Register geschieht über einen mit einem speziellen Taktimpuls gesteuerten Transferbereich, der zwischen Speicherteil und CCD-Register angeordnet ist.

Die ladungsgekoppelte Sensorzeile wird dann besonders einfach in Konstruktion und Herstellung, wenn die Signalladung aus dem Speicherteil des Sensors (über das der Kopplung dienende Transfergebiet) in das Speichergebiet des CCD-Schieberegisterelementes fließt.

Um nicht mehr als zwei Elektrodenebenen benutzen zu müssen, wird auch die das Kopplungs-Transfergebiet überdeckende Elektrode mittels der gleichen 2. Slektrodenebene, aus der die CCD-Registertransferelektroden hergestellt sind, realisiert. Die dann aus konstruktiven Gründen entstehende Verlängerung des CCD-Registerspeichergebietes über den eigentlichen CCD-Transportkanal hinaus wird durch seitlich geführte Kanal-Stopper-Gebiet erfindungsgemäß soweit

eingeengt, daß auf Grund des Wirkens der elektrostatischen Streufelder (das Potential hat im Kanal-Stopper-Gebiet Substratwert) der Extremwert des Potentials im von.-freien Ladungsträgern verarmten Kanal in der Verlängerungssone !deiner ist als im eigentlichen CCD-Registerkanal. Dadurch entsteht ein Potentialgefälle, das die Signalladungsträger aus der Verlängerungszone in den eigentlichen CCD-Registerkanal treibt. Somit wird ein Transferverlust im CCD-Schieberegister vermieden,

Der Ladungstransfer vom Sensor in das CCD-Register soll vollständig in kürzester Zeit erfolgen, man möchte im praktischen Betrieb das CCD-Register zum Zwecke dieses Transfers nicht "anhalten", die Taktung des CCD-Registers erfolgt bis zur maximalen Einsatzfrequenz (typischer Maximalwert: 10 ISRz) kontinuierlich.

Um das zu realisieren, bedarf es eines sorgfältig kontrollierten Transferimpulses zur Steuerung des der Kopplung dienenden Transferbereiches. In bekannten Lösungen werden solche Impulse von einem externen Taktgenerator bereitgestellt·

In der hier vorgeschlagenen ladungsgekoppelten Halbleitersensoranordnung wird erfindungsgemäß als Transferimpuls einer der kontinuierlich anliegenden 'Taktimpulse durch eine spezielle elektronische Schaltung ausgewählt und an cLas der Kopplung dienende Transfergate gelegt. Dadurch, daß Transferimpuls und Taktimpuls dem gleichen Takttreiber entstammen, gibt es keine Probleme betreffs der Phasenlage, und ein sicherer Transfer der Signalladung aus dem Sensor in das CCD-Register ist gewährleistet.

An den extern bereitzustellenden Auslöseimpuls werden keine komplizierte Forderungen betreffs Phasenlage gestellt.

Die Auswahl eines Taktimpulses zur Hutzung als Transferimpuls geschieht über eine Gegentaktstufe, welche aus zwei in Reihe geschalteten MOSPET¹S besteht. Der Auslöseimpuls wird an das Gate des einen Transistors und der über einen auf dem Chip integrierten Inverter invertierte Auslöseimpuls an das Gate des anderen Transistors gelegt. Eine Seite der beiden in Reihe geschalteten MOSPET's wird mit Substrat verbunden. Die andere Seite wird nicht, wie in solchen Gegentaktschaltungen üblich, mit einer DC-Spannung gespeist. An die andere Seite werden erfindungsgemäß direkt die Taktimpulse gelegt. Am Verbindungspunkt beider Transistoren wird der erzeugte Transferimpuls abgenommen.

Die hier vorgeschlagene ladungsgekoppelte Halbleitersensoranordnung wird erfindungsgemäß mit einer speziellen, auf dem Chip integrierten elektronischen Schaltungsanordnung am Eingang des Schieberegisters versehen. Diese elektronische Schaltungsanordnung ermöglicht die Eingabe von Weißsignalen, welche eine definierte Pegelhöhe haben und damit als Bezugspegel für die Höhe der in den Sensorgebieten erzeugten Signalladungen dienen. Außerdem wird durch diese elektronische Schaltungsanordnung die Eingabe von analog-elektrischen Signalen ermöglicht· Diese Schaltungsanordnung am Eingang des Schieberegisters ist derart konzipiert, daß das zu erzeugende T/eißsignal mit dem gleichen Transfertakt entsteht, wie er für die Übertragung der Signalladungen aus dem Sensorteil in das Schieberegister notwendig ist und in oben beschriebener Weise auf dem Chip erzeugt wird.

Die Schaltungsanordnung zur Erzeugung des Weißsignales besteht aus einem η -Gebiet und einem Ladungstransportkanal, 7/ie er für ladungsgekoppelte Bauelemente üblich ist. Der Ladungstransport vom n⁺-Gebiet in den Transportkanal wird durch eine Polge von drei von sich überlappenden Eingabe-Elektroden gesteuert, da die Ladungen in ein Speichergebiet des typischen o. g. 2-Phasen-CCD-Registers mit sich über-

läppenden Elektroden gelangen. Diese drei Eingabe-Elektroden bestellen in Richtung des Ladungstransportes aus einer Elektrode der zweiten Ebene, einer Elektrode der ersten Ebene und schließlich einer Elektrode der zweiten Ebene. Der Reihe nach kontrollieren sie also ein Transfer-, ein Speicher- und wieder ein Transfergebiet.

Die ersten beiden Eingabe-Elektroden werden mit dem bereits oben beschriebenen Transfertakt gesteuert. Bei jedem Transfertaktimpuls wird das Speichergebiet der zweiten Elektrode aus dem n⁺-Gebiet, welches an einer konstanten Gleichspannung liegt, mit ladungsträgern gefüllt· Dieses Speichergebiet beinhaltet das einzugebende Weißsignal· An der dritten Eingabe-Elektrode liegt ein weiterer Taktimpuls, der bezüglich zum Transporttakt des CCD-Registers invertiert ist und in seiner Pegelhöhe so die Barriere unter diesem Transfergate steuert, daß kein Ladungstransport in das CCD-Register möglich ist, wenn die Abfallflanke des Transfertaktimpulses zeitlich vor der Anstiegsflanke des Transporttaktimpulses liegt. Dadurch wird verhindert, daß die eingegebenen Weißsignale "vorlaufen", d. h. nicht nur in das erste Speichergebiet des CCD-Registers laufen, sondern gleich in das zweite darauffolgende, welches noch in Speicherbereitschaft steht.

Erst wenn an der dritten Elektrode die Barriere erniedrigt wird, wird gleichzeitig vor dem zweiten Speichergebiet des CCD-Registers eine Barriere erzeugt, so daß die Weißsignalladung nur wie gewünscht bis zum ersten Speichergebiet des CCD-Registers gelangt.

Die Schaltungsanordnung zur Erzeugung der elektrischen Analogsignale besteht ebenfalls aus einem n⁺-Gebiet und einem Ladungstransportkanal, wobei das n⁺-Gebiet mit dem für die Weißsignaleingabe verbunden ist. Der Ladungstransport vom η -Gebiet in den Kanal wird durch zwei aneinander gereihte Eingabe-Elektroden gesteuert.

Darauffolgend fließen die Ladungen in ein erstes Speichergebiet des CCD-Registers, wobei diese Eingabestelle an einer anderen Stelle des CCD-Registers liegt als die für die Weißsignaleingabe. Die beiden Eingabeelektroden für die Erzeugung von elektrisch-analogen Signalen bestehen in Richtung des Ladungstransportes aus einer Elektrode der zweiten Ebene, die an einer statischen Gleichspannungsquelle liegt und einer zweiten Eingabeelektrode der ersten Ebene, an die eine veränderliche Signalspannung (Aaalogsignal) gelegt werden kann. Die Höhe der Steuerpegel für die beiden ersten Eingabeelektroden wird so gewählt, daß unter der ersten Elektrode im Kanal ein Transfer- bzw. Barrierengebiet und unter der zweiten Elektrode ein Speichergebiet entsteht. Wird im Gegensatz zur Weißsignaleingäbe das n⁺-Gebiet nicht mit einer Gleichspannung belegt, sondern mit einer Impulsspannung, die synchron mit dem Transporttakt des CCD-Registers gesteuert wird, so fließen Ladungen über das Transfergebiet in das Speichergebiet unter der zweiten Eingabeelektrode.

Die Phasenlage der das n⁺-Gebiet steuernden Impulse gegenüber dem Transporttakt des CCD-Registers muß so liegen, daß in dieser Zeit sich eine hohe Barriere vor der ersten Speicherelektrode des CCD-Registers befindet und keine Ladungen dorthin gelangen können. Das ist notwendig, damit alle überschüssigen Ladungen, die über dem Barrierenniveau der ersten Eingabeelektrode liegen, auf das Grundniveau des η -Gebiets zurückfließen können. Die Höhe der Ladungsmenge für das elektrisch-analoge-Signal wird durch die Differenz der Kanalniveaus unter der ersten und zweiten Eingabeelektrode bestimmt.

Die unter der zweiten Eingabeelektrode im Kanal befindlichen Signalladung wird anschließend über ein Transfergebiet in das erste Speichergebiet des CCD-Registers transportiert, wobei dieses Transfer- und Speichergebiet durch den entsprechenden Transporttakt des Registers gesteuert

wird.

Erfindungsgemäß wird entsprechend der gegebenen Beschreibung der Schaltungsanordnung für die Weißsignaleingabe und für die Eingabe der elektronisch-analogen Signale durch diese besondere Wahl der Elektrodenfolgen (Transfer- und . Speicherelektroden) und ihren .Anschlußbelegungen, der Einköppelsteilen der Signale in das gemeinsame CCD-Register sowie der gesamten horizontalen geometrischen Dimenionierung sichergestellt, daß am ladungsgekoppelten Sensorbauelement beide Betriebsfunktionen sowohl Weißsignaleingabe als auch elektrische Analogsignaleingabe ermöglicht werden, ohne daß-gegenseitige Störungen auftreten unter den notwendigen Betriebsbedingungen (angelegte Steuerspannungen) einschließlich der ordnungsgemäßen Steuerung des Transportes der durch Fotogeneration erzeugten Ladungen aus den Speichergebieten der Sensorgebiete in das CCD-Register.

Die zweite Eingabeelektrode in der Schaltungsanordnung für die Eingabe der elektrisch analogen Signale ist mit einem hochohmigen HOSFET-Widerstand, welcher mit auf dem Chip integriert ist, mit Substratpotential verbunden. -Damit wird gewährleistet, daß für den Fall, wenn diese Ein-, gabeelektrode für die Steuerung der elektrisch-analogen Signale nicht belegt ist, das Potential daran Hüll ist und eine entsprechend hohe Barriere im Kanal erzeugt wird.

Somit können keine störenden Ladungen über diesen Eingabekanal in das Register fließen, wenn nur Weißsignale eingegeben werden sollen. Die erfindungsgemäße elektronische Schaltungsanordnung am Eingang des CCD-Registers einer ladungsgekoppelten Halbleitersensoranordnung hat somit folgende Vorteile:

- Insbesondere ist die Schaltungsanordnung so konstruiert, daß die Weißsignaleingabe mit den gleichen Transfertakt erfolgt wie der Transport der Sensorladungen aus dem

Speichergebiet des Sensors in das CCD-Register, d. h. daß der Transfertaktimpuls in Phase mit dem Transporttakt des CCB-Registers sein muß.

- Durch die Einfügung der dritten Eingabeelektrode in die Schaltungsanordnung für die Weißsignaleingabe wird sichergestellt, daß sich die Abfallflanke des Transfertaktimpulses zeitlich vor der Abfallflanke des Transporttaktes befinden kann und damit ein "Verlaufen" des Weißsignales vermieden wird.

- Weißsignal- und elektrisch-analoge Signaleingabe können aus einem gemeinsamen η -Gebiet gesteuert werden, ohne daß bei der Betriebsart für die Erzeugung von elektrisch-analogen Signalen Störsignale über den Kanal für die Weiß signal eingabe einfließen können, da in dieser Betriebsart der Anschluß für den Transfertaktimpuls auf Uullpotential gelegt wird und daher immer eine ausreichend hohe Barriere unter dem ersten Eingabegate der Weißsignaleingabeanordnung liegt.

- Darüber hinaus ist es möglich in das CCD-Register des ladungsgekoppelten Bauelementes Weißsignale und elektrisch-analoge Signale gleichzeitig einzugeben, da die Steuerimpulse am n⁺-Gebiet, die für die Eingabe der elektrisch-analogen Signale notwendig sind, am Eingang für die Weißsignale zu keiner Ladungseingabe führen, da entsprechend der Phasenlage bei jedem Impuls am n—Gebiet eine hohe Barriere unter der ersten bzw. der dritten Eingabeelektrode vorhanden ist.

- Mittels der elektronischen Schaltungsanordnung zur Eingabe der elektrisch-analogen Signale ist es möglich, spezielle elektrische Prüfsignale, mittels dieser der Ladungsverlust des CCD-Schieberegisters exakt bestimmt werden kann, einzugeben.

Darüber hinaus ist. es möglich die Anwendungsmöglichkeit

der ladungsgekoppelten Sensorzeile beträchtlich zu erweitern.

Durch Steuerung des elektrisch-analοgen Einganges ist es z. B. möglich, den optischen Signalen Prüfsignale zu überlagern, die als Markierungen zum Ausmessen oder Auszählen des optischen Bildsignales benutzt werden können.

Mittels des elektrisch-analogen Signaleinganges kann das CCD-Register als Schieberegister und Verzögerungsleitung genutzt werden, wobei der optische Sensorteil nicht betrieben wird.

Aus führungs b e i sp i el

Im Ausführungsbeispiel werden Aufbau und Funktion einer ladungsgekoppelten Halbleitersensoranordnung gemäß vorliegender Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben.

In den Zeichnungen bedeuten:

Fig. 1a Querschnitt durch den Sensor mit angekoppeltem CCD-Schieberegister

Fig. 1b Potentialverlauf im Sensor

Fig. 2 Potentialverlauf im vergrabenen Fotosensor

Fig. 3 Potentialverlauf im Speicherteil

Fig. 4 Draufsicht auf den Sensor mit CCD-Register

Fig. 5a Weißsignalerzeugung

Fig. 5b Kanalpotentialverlauf

Fig. 5c Diagramm der Ansteuerspannungen für die Weißsignaleingabe

Pig. 6a elektrisch-analoge Signaleingabe Pig. 6b Kanalpotentialverlauf

Pig. 6c Diagramm der Ansteuerspannungen für die elektrisch-analoge Signaleingabe

Pig. 7 Draufsicht auf den Eingangsteil

Pig. 8a Schaltungsanordnung zur Erzeugung des Transferimpulses

Pig. 8b¹ Pig. 8c Pig. 8dJ

Impulsbeziehungen zwischen 0j und

Pig. 1a zeigt einen Querschnitt durch den Sensor nebst angekoppeltem CCD-Schieberegister (Die Transportrichtung des CCD-Schieberegisters wäre senkrecht zur Papierebene). Auf die Punktion des CCD-Schieberegisters wird nicht näher eingegangen, da ein solches Register nicht Gegenstand dieser Erfindung ist.

Pig. 1b zeigt schematisch die Potentialverhältnisse im Sensoro

Das Ausführungsbeispiel geht von einem p-leitenden Substrat aus. Selbstverständlich sind alle Gedanken dieser Erfindung gleichfalls für ein η-Substrat anwendbar.

Weiterhin wird als Basistechnologie diejenige für ein 2-Phasen-CCD mit implantierten Barrieren betrachtet. Selbstverständlich sind auch andere Technologien möglich.

Das p-leitende Substrat 1 ist mit dem Gateisolator 5 und in den nicht aktiven Gebieten mit dem Peldisolator 8 überzogen. Unter den Peldisolatorgebieten 8 ist eine "Kanal-

Stopper"-Dotierung 7 eingebracht. Selbstverständlich sind statt der Gebiete 7 und 8 auch mit anderen Methoden hergestellte "Kanal-Stopper"-Bereiche anwendbar. Die Strukturierung des "vergrabenen Potοsensors" (in lateraler Richtung) erfolgt durch ein über eine Lackmaske implantiertes "Kanal-Stopper"-Gebiet 2. Diese Implantation erfolgt kurz vor der Beschichtung mit der 1. Elektrodenebene (poly-Si), danach erfolgen im technologischen Prozeß keine wesentlichen Hochtemperaturschritte. Dadurch ist die Ausdiffusion des "Kanal-Stopper"-Implantes gering, und man erreicht mühelos ein kleines Raster der vergrabenen Fotosensoren· Selbstverständlich kann die Strukturierung des "vergrabenen Fotosensors" auch durch die oben erwähnten Gebiete 7 und 8 oder über durch andere Methoden hergestellte "Kanal-Stopper"-Bereiche erfolgen.

Der n-Dotand für das "buried-channel-Gebiet" 6 wird über eine Implantation eingebracht, und anschließend in die Tiefe diffundiert, wobei durch den Dickenunterschied Gateisolator/Feldisolator eine Selbstjustierung auf die aktiven Gebiete erreicht wird. Die "Kanal-Stopper"-Gebiete 2 werden nunmehr über einen 2-Stufenprozeß mit verschiedenen Einschußenergien implantiert, so daß sowohl eine Eindringtiefe größer bzw. gleich der des Gebietes 6 als auch eine genügend große Oberflächenkonzentration von p-Dotenden erreicht wird. Als nächstes wird die 1· Elektrodenebene 43; 15 aufgebracht und strukturiert sowie anschließend mit einer Isolatorschicht 10 überzogen (z. B. durch thermische Oxydation des poly-Si).

Das im "vergrabenen Fotosensor" die n-Dotierungszone 16 überdeckende "Kanal-Stopper"-Gebiet 4 wird günstigerweise in einem 2-Stufenprozeß implantiert. Um die gewünschte Umdotierung der n-Dotierungszone bis in eine gewisse Tiefe zu erreichen, bedarf es beim 1. Implantationsschritt infolge der geringen Dotandenkonzentration dieser Zone in der Größenordnung von 10 cm""-' nur einer geringen Dosis

von 0,5 - 1.10 At/cm , wobei die Energie ausreichend hoch gewählt wird. Für die Abschirmung gegen äußere Felder müssen im Oberflächenbereich genügend p-Dotanden vorhanden sein. Dazu wird der 2. Implantationsschritt so ausgeführt, daß das Dotierungsmaximum an der Grenzfläche Halbleiter/ Isolator positioniert wird. 3s genügt dabei eine Dosis

12 —2

in der Größenordnung von 5 · 10 cm

Durch dieses Verfahren der 2-Stufenimplantation bleibt die Gesamtdosis gering, und es entstehen keine die Fotogeneration beeinträchtigten "toten Schichten".

Die erste Implantation zur Einbringung des Gebietes 4 wird gleichzeitig mit der Einbringung des.Barrieren implantes in das Gebiet 3 ausgeführt. D. h., die für das Gebiet 3 benötigten Implantationsparameter genügen auch den Anforderungen des 1. Implantationsschrittes für das Gebiet 4. Nach Aufbringen und Strukturierung der 2. Elektrodenebene 13 (poly-Si) wird (selbstjustiert durch die vorhandenen Elektrodenebenen) der 2. Implantationsschritt zur Realisierung der Gebiete 4 ausgeführt.

Nach Abscheiden eines Isolierfilmes 11 (Silox) wird als Lichtschutz die Schicht 12 (z. B. Aluminium) aufgebracht und strukturiert,'wobei die optischen Fenster 14 entstehen.

In Fig. 2 ist der Potentialverlauf 30 des an freien Ladungsträgern verarmten vergrabenen Fotosensors eingezeichnet. Der Extremwert des Potentials ergibt die Tiefe 31 der Potentialmulde (der Wert wird meistens im Bereich von 0,6 eV - 3 eY liegen). In Fig. 3 ist der Potentialverlauf 32 des an freien Ladungsträgern verarmten und der Potentialverlauf 33 des mit einer gewissen Signalladung besetzten Speicherteiles eingezeichnet, wobei die Deckelektrode auf Substratpotential gelegt wurde. Der Extremwert des Potentiales ergibt die Tiefe 34 der an Ladungsträgern verarmten Potentialmulde (Die Differenz zwischen den Werten 34 und 31 wird in der Mehrzahl der Fälle Werte von 5 eV - 7 eY nicht überschreiten). Fig. 4 ist die Draufsicht auf

den Sensor mit angekoppelten CCD-Register.

In Hg. 1b sind die Potentialverhältnisse im ladungsführenden Kanal dargestellt. Die Linien 23 symbolisieren das Substratpotential. Vom CCD-Schieberegister ist nur das Gebiet 6 unter der Speicherelektrode 9 in der Potentialdarstellung berücksichtigt. Bei leerem Kanal würde das Potential im Gebiet 6 im Rhytmus der Taktspannungen zwischen den Werten 27 (Vj₁) und 26 (Y^) wechseln.

Während der Lichtintegrationsphase liegt am Transferkoppelgate der Low-Pegel, Dadurch erreicht das Gebiet unter dem Gate 13 das Potential 21, wodurch eine ausreichend hohe Potentialbarriere zwischen Speicherteil und CCD-Schieberegister geschaffen wird.

Der Wert 22 ist der Extremwert des Potentials im leeren Speicherteil. Der Wert 24 ist der Extremwert des Potentials im an freien Ladungsträgern verarmten "vergrabenen Potosensor". Das durch.die Fenster 14 fallende Licht erzeugt Ladungsträger, welche kontinuierlich in den Speicherteil fließen und dort gesammelt werden.

Bei Besetzung mit Ladungsträgern ändert sich das Potential im Speicherteil in Richtung Substratpotential. Ein gewisser Püllungsgrad des Speicherteiles sei mit dem Potential 25 angedeutet.

Zur Übertragung der fotogenerierten Ladungsträger ins Schieberegister werden sowohl an Elektrode 43 als auch an Gate 13 die entsprechenden High-Impulse angelegt. Der Wert 26 ist dann der Extremwert des Potentials im leeren Gebiet 6 unter Elektrode 43, der Wert 20 der entsprechende unter der Transferelektrode 13. Nach Übertragung der fotogenerierten Ladungsträger stellt sich'im Speicherteil erneut das Potential 22 ein. Im Gebiet unter der Elektrode 43 ändert sich durch die Auffüllung von Ladungsträgern

das Potential vom Wert 26 auf einen gewissen Wert 28.

Durch Anlegen des Low-Pegels an das Transferkoppelgate 13 wird die nächste Lichtintegrationsphase begonnen. Während dieser Phase werden vom CCD-Schieberegister die aus den einzelnen Sensoren übertragenen Ladungen zum Ausgangs-Ladungsdetektor transportiert.

In Pig. 8a ist das Punktionsschaltbild derjenigen elektronischen Schaltung dargestellt, welche aus den anliegenden Taktimpulsen 0_m einen benötigten Transferimpuls 0J₀₁₃^ auswählt. Die Transistoren T₁ und T„ sind vom Knhancment-Typ und besitzen extrem große b/L, für T₁ ist b/L etwa 200 und für T₂ ist b/L etwa 1000. T₁ und T₂ sind in Mäanderform ausgeführt und beanspruchen zusammen eine Fläche von

2 2

insgesamt 0,25 σ 2 mm (= 0,5 mm ). In linearen ladungsgekoppelten Halbleitersensoranordnungen mit einer großen Anzahl von Sensoren (z. B. 1024 Sensoren) sind, auf Grund der konstruktiven Besonderheiten solcher Sensoranordnungen auf dem Chip ungenutzte Flächen in der Größenordnung von

ρ mm vorhanden. Die Unterbringung solcher relativ großen Transistoren wie die hier erwähnten T₁ und Tp bereitet daher keine Schwierigkeiten.

Das Gate von T₂, an'das direkt der extern erzeugte Auslöseimpuls 0~ gelegt wird, besitzt eine Kapazität zum Substrat von etwa 27 pF·

Mit dem Auslöseimpuls 0^. wird weiterhin eine Bootstrapinvertierstufe 70 angesteuert. Der invertierte Inrouls 0_V wird an das Gate des Transistors T₁ gelegt. An das Draingebiet von T₂ werden gemäß dem Erfindungsvorschlag direkt die extern erzeugten Taktimpulse 0_T gelegt (mit 0_T werden natürlich außerdem die Taktelektroden der CCD-Schieberegister gesteuert). Durch diese Schaltung wird sichergestellt, daß das Transferkoppelgate 13 unabhängig von einer eventuellen Phasenverschiebung zwischen 0_Φ und 0_V sowie

unabhängig von eventuellen Unterschieden in der Impulslänge zwischen 0_φ und 0_χ immer einen solchen Steuerimpuls 0-, . erhält, der einen exakten Transfer der Signalla-

JLOU^-C

düngen aus den Sensoren in die Schieberegister gewährleistet. In den Pig. 8b bis 8d sind die Impulsbeziehungen für drei verschiedene 0γ dargestellt. Das Transfergate 13 besitzt bei einer linearen ladungsgekoppelten Halbleitersensoranordnung mit 1024 Sensoren eine Kapazität 71 zum Substrat von etwa 70 - 100 pP.

Bin Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße elektronische Schaltungsanordnung ist in den Pig. 5; β und 7 dargestellt. Diese vereint in einem Eingangsteil einer ladungsgekoppelten Halbleitersensoranordnung, dargestellt als Layout in Pig. 7, sowohl die Weißsignalerzeugung, dargestellt in der Schnittzeichnung Pig. 5a, als auch die elektrisch-analoge Signaleingabe, die als Schnittzeichnung in Pig. 6a wiedergegeben ist.

Auf einem gemeinsamen p-leitenden Si-Substrat 1 befindet sich eine η-leitende Schicht 6 (vergrabener Kanal), die die elektrisch aktiven Gebiete für den Ladungstransport bildet. An diese aktiven Gebiete schließt sich das Kanal-Stopper-Gebiet 7 an, wodurch die Kanalbegrenzung 40 entsteht.

Über den aktiven Kanalgebieten befinden sich getrennt durch eine Isolatorschicht 5 zwei PoIy-Si-Elektrodenebenen, wobei zur Ebene I die Elektroden 41; 42; 43 und bzw. zur Ebene II die Elektroden 45; 46; 47; 48 und 49 gehören. Die Elektroden werden über die in der Pig. 7 nur symbolisch dargestellten Leitbahnverbindungen 51; 52; 53; 54 und 55 an die statische Gleichspannung Um, an die Transporttaktimpulsspannung 0m, an die Transferimpulsspannung 0j, an die Eingangsspannung U_,_G sowie an die invertierten Transporttaktimpulsspannung 0_n angeschlossen. Das n⁺- Quellgebiet wird über eine Kontaktierungsschicht 18 und

die Leit bauverbindung 56 mit einer Eingangs spannung U^ verbunden. Wie aus der Pig. 7 zu ersehen ist, wird die elektrische Signaleingabe am Register an fang 57 und die Weißsignaleingabe an der Seite an den Stellen 58 und 59 des Registers realisiert.

In Pig. 5b und 6b sind schematisch die im Betriebsfall auftretenden Kanalpotentialverlaufe dargestellt, wobei die Aasteuerspannungen für die Weißsignaleingabe und die elektrisch-analoge Signaleingabe in den Pig. 5c bzw. 6c wiedergegeben sind.

Zwecks Beschreibung der elektrisch-dynamischen Punktion der Anordnung muß zwischen zwei Betriebsarten unterschieden werden:

In der optischen Betriebsart werden durch Takten der Transferelektrode 0y'entsprechend Pig. 5c, die Ladungspakete aus den Speichergebieten des Sensorteiles in die Speichergebiete des CCD-Schieberegisters transportiert. . Gleichzeitig fließen am Registeranfang seitlich an den Stellen 60 und 61, wie in Pig. 7 dargestellt, aus dem n⁺- Gebiet 17 Ladungen in das Kanalgebiet unter der Speicherelektrode 41. Entsprechend der angelegten Eingangsspannung U„ am η -Gebiet fließen Elektronen unter die Eingangselektroden 45 und 41, wenn sich der Transferimpuls 0^ in "High"-Zustand befindet. Das zugehörige Potentialniveau wird in Pig. 5b durch den Potentialverlauf 68 charakterisiert·

Schaltet entsprechend Pig. 5c der 0y-Impuls von "High" auf "Low", wird das Kanalpotential unter den Elektroden 41 und 45 angehoben, so daß der überschüssige Ladungsinhalt unter den Elektroden 41 und 45 zum n⁺-Quellgebiet 17 zurückfließt und nur der durch die Barriere unter der Elektrode 45 begrenzte Ladungsinhalt unter der Elektrode 41 verbleibt. Die in Pig. 5b angegebenen Niveaulinien 62 und

63 geben den Potential verlauf im Kanal an, wenn die Potentialmulde unter der Eingabeelektrode 41 nicht mit Elektronen bzw. mit Elektronen (WeißSignalladungen) gefüllt, ist. Wird darauffolgend der Transporttaktimpuls 0_T von "High" auf "Low" geschaltet bzw. gleichzeitig der invertierte Transporttaktimpuls 0_T von "Low" auf "High", können die WeißSignalladungen in das benachbarte Speichergebiet unter der Elektrode 42 des CC3>-Registers gelangen. Die dem Weißsignal zugehörigen Ladungspakete werden an den Stellen 58 und 59 in Pig. 7 seitlich in den Kanal unter der entsprechenden Speicherelektrode 6 eingekoppelt·

Solange in dieser Betriebsart am n⁺-Gebiet 17 des Einganges ein ausreichend hoher Gleichspannungspegel liegt, d. h. höher ist als das Kanalpotential unter der Eingangselektrode 48 in Pig. 6a, können keine störenden Ladungen vom Registeranfang 57 her in das Schieberegister einfließen·

Eine leichte Abänderung der Schaltungsanordnung zur Eingabe der Weißsignale besteht darin, daß die Elektrode 49 mit der Elektrode 42 des Transportregisters verbunden wird, an welche die statische Spannung U™ gelegt wird. Pur diesen Pail ist ein einwandfreier Weitertransport der Weißsignalladungen nur möglich, wenn die Abfallflanke des Transfertaktimpulses 0_ und des Transporttaktimpuls 0« übereinstimmen·

In der Betriebsart zur Eingabe von elektrisch-analogen Signalen wird entsprechend Pig. 6c die Transferelektrode 0j an das Bezugspotential "Hull" gelegt, so daß kein Ladungsfluß seitlich aus den n⁺-Gebieten in das Register möglich ist.

In diesem Pail wird das n⁺-Gebiet 17 am Eingang entsprechend Pig. 6c mit dem Steuersignal 0-, getaktet. Bei jedem Impuls, d. h. Schalten von High- auf den Low-Pegel, flie-

ßen Ladungen in das Kanalgebiet unter Elektrode 44. Zu dem High- bzw. Lowpegel des Steuersignals 0-g gehören die in Fig. 6b dargestellten Potentialverlaufe 67 und 66, Beim Schalten des Steuersignales 0_E vom "Low" zum "High"-Pegel fließen die überschüssigen Ladungen, die über dem Pegel des Kanalpotentials der Elektrode 48 liegen zurück zum n⁺-Gebiet· Die verbleibenden Ladungsträger bilden das elektrische Eingangssignal. Die in Fig. 6b angegebenen Potentialverlaufe 64 und 65 stellen das Kanalpotential bei leerer bzw. gefüllter Mulde unter der Eingangselektrode 44 dar. Durch Takten der nachfolgenden Elektroden 47 und 43 mit dem Impuls 0™ werden die Ladungspakete des elektrisch-analogen Eingangssignales im Register weitertransportiert.

Mit der Höhe des an Elektrode 44 gelegten Gleichspannungs-Pegels Ujj_G wird die Höhe der Eingangssignalladungsmenge eingestellt·

Legt man an die Eingangselektrode 44 eine veränderliche Spannung (Wechselsignal bzw. .Analogsignal), wird die Höhe der Eingangs signalmenge entsprechend analog geändert·

Mit dieser Anordnung können am elektrisch-analogen Eingang entsprechend Pig. 6a durch entsprechende Steuerung des n⁺-Gebietes 17 mittels Impulsgruppen Prüfsignale konstanter Höhe in das Schieberegister eingegeben werden, wobei die elektrische Eingangselektrode 44 mit einer konstanten Gleichspannung belegt wird. Mit diesen Prüfsignalen können die Übertragungsverluste im Hegister selbst elegant festgestellt werden.

Man kann diese Schaltungsanordnung auch zur Übertragung analoger Signale verwenden (Schieberegisteranwendung, Verzögerungsleitung), in dem am n⁺-Gebiet 17 eine fortlaufende Folge von Impulsen entsprechend Fig. 6c angelegt werden und an Elektrode 44 das .analogsignal·

Claims (8)

1. Erfindungsanspruch

   1. Sensor für ladungsgekoppelte Halbleiterabbildungsvorrichtungen, gekennzeichnet dadurch, daß der Sensor in einen in bekannter ?/eise ausgebildeten Speicherteil und einen strahlungs empfindlich en Teil, dem vergrabenen Fotosensor, der aus einer JDotierungszone von zum Substrat umgekehrten leitungstyp besteht, welche in vertikaler Richtung zur Oberfläche hin durch ein auf Substratpotential liegendes Kanal-Stopper-Gebiet begrenzt ist, wobei die Bindringtiefe des Kanal-Stopper-Gebiet es kleiner ist, als die vertikale Ausdehnung der Dotierungszone und daß die energetische Tiefe der sich ausbildenden Potentialmulde des strahlungsempfindlichen Teiles für den Verarmungsfall gering ist, unterteilt ist, daß die sich ausbildende Potentialmulde des Speicherteiles ständig tiefer, als die des strahlungsempfindlichen Teiles ist, daß die den Speicherteil und das Speichergebiet eines nachgeordneten in bekannter Weise ausgebildeten ladungsgekoppelt en Schieberegisters überdeckenden Elektroden der gleichen ersten Elektrodenebene angehören und daß das Transfergebiet zur Übertragung der im Speicherteil des Sensors befindlichen Ladungsträger aus der zweiten Slektrodenebene gebildet wird.
2. 2. Sensor für ladungsgekoppelte Halbleiterabbildungsvorrichtungen nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das den Sensorbereich in vertikaler Richtung zur Oberfläche hin begrenzende Kanal-Stopper-Gebiet und die zur lateralen Trennung benötigten Kanal-Stopper-Gebiete durch eine den gesamten Sensorbereich bedeckende durchgehende und relativ zum Substrat hochdotierte Region vom Leitungstyp des Substrates gebildet sind und daß besagte Region in lateraler Richtung im gesamten Sensorbereich eine einheitliche Dotierung aufweist, daß in den Gebieten zwischen den einzelnen Sensorelementen die Dotierungszone vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp ausgespart oder deutlich geringer als im Bereich der einzelnen Sensorelemente ist und daß die die Halbleiteranordnung überdeckenden Isolatorschichten im gesamten lichtempfindlichen Bereich vorzugsweise eine einheitliche Dicke besitzen·
3. 3. Sensor für ladungsgekoppelte Halbleiterabbildungsvorrichtungen nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die einzelnen Sensorelemente, welche in vertikaler Richtung zur Oberfläche hin durch Kanal-Stopper-Gebiete begrenzt sind, in lateraler Richtung durch besondere Kanal-Stopper-Gebiete voneinander getrennt sind, wobei diese Kanal-Stopper-Gebiete aus einer tief reichenden relativ hoch dotierten Region vom Substratleitungstyp oder aus in relativ mittlerer Konzentration dotierten Regionen vom Substratleitungstyp, die mit dickem Feldoxid überdeckt sind, bestehen.
4. 4. Sensor für ladungsgekoppelte Halbleiterabbildungsvorrichtungen nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Kanal-Stopper-Gebiete zur lateralen Begrenzung der Sensoren ein Stufen-Dotierungsprofil aufweisen, wobei im unmittelbaren Oberflächenbereich die Dotierung

   relativ hoch, zur Sicherung einer ausreichenden Inversionsspannung ist und in darunterliegenden Bereich bis in eine Tiefe, die wenigstens der Eindringtiefe der Dotierungszone vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp entspricht, die Dotierung eine nur mittlere Konzentration aufweist·
5. 5. Sensor für ladungsgekoppelte Halbleiterabbildungsvorrichtungen nach Punkt 2 oder Punkt 4» gekennzeichnet dadurch, daß in. dem !eil des Speichergebietes des ladungsgekoppelten Schieberegisters, welcher zwischen Transfergebiet und dem eigentlichen Schieberegisterkanal positioniert ist, ein Potentialgefälle vom Transfergebiet zum Schieberegisterkanal hin eingebaut ist.
6. 6. Sensor für ladungsgekoppelte Halbleiterabbildungsvorrichtungen nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß das in einem Teil des Speichergebietes eingebaute Potentialgefälle durch seitlich am besagten Speichergebietsteil in genügend engem Abstand voneinander geführte Kanal-Stopper-Gebiete gebildet ist.
7. 7. Sensor für ladungsgekoppelte Halbleiterabbildungsvorrichtungen nach Punkt 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß der bestrahlte Teil des vergrabenen Potosensors in relativ großer Entfernung vom Speicher» teil angeordnet ist und daß der zwischen bestrahltem Teil und Speicherteil liegende Abschnitt des vergrabenen Fotosensors mit einer lichtundurchlässigen Schicht bedeckt ist.
8. 8. Sensor für ladungsgekoppelte Halbleiterabbildungs-Vorrichtungen nach Punkt 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Dotierungszone vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp im vergrabenen Potosensor

   aus einer Überlagerung der Dotierungszone, wie sie gleichfalls im Speicherteil eingebracht ist, mit der für die Realisierung des den Sensor in vertikaler Richtung zur Oberfläche hin begrenzenden Kanal-Stopper-Gebiet es benötigten Dotierung, erzeugt ist.

   Hierzu 8 Seiten Zeichnungen