DE2553203C2 - Halbleiter-Bild-Signal-Wandler - Google Patents
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Description
— zur Isolation an seinem Umfang unter Freilassen der einander gegenüberliegenden Enden jo
der Diffusionszone (18) von einem mindestens bis zum Substrat (12) reichenden dielektrischen
Medium (6) umgeben ist,
— eine auf der SiCVSchicht (22) oberhalb der
Gate-Zone (20) aufliegende, parallel zur Diffusionszone (18) über das Schaltungselement (10)
verlaufende Gate-Elektrode (30) enthält, die mit den Gate-Elektroden (30) weiterer Schaltungselemente
(10) der monolithisch integrierten Halbleiterschaltung eine parallel zur durch die
Diffusionszonen (18) dieser Schaltungselemente (10) gebildeten, geradlinigen Leiterbahn verlaufende,
geradlinige Leiterbahnen bildet
— und daß jedes Schaltungselement (10) den Anschluß (24) in Form eines orthogonal zu den
Leiterbahnen der Gate-Elektroden (30) und den Diffusionszonen (18) verlaufenden, zusammen
mit den Anschlüssen (24) weiterer Schaltungselemente (10) der monolithisch integrierten
Halbleiterschaltung eine geradlinige Leiterbahn bildenden Leitungszuges enthält, der sowohl an
der Kontaktstelle mit dem Halbleiterbereich zusammen hiermit eine Schottky-Diode (33)
bildet, als auch einer die gesamte Gate-Elektrode (30) umschmiegenden sowie der S1O2-Schicht
(22) im Bereich oberhalb der Diffusionszone (18) überdeckenden Glasdickschicht (23)
aufliegt und der oberhalb der Gate-Elektrode (30) eine Öffnung (26) zum Lichteinfall auf die
Glasdickschicht ^23) im Bereich der Gatediffusion
(20) aufweist.
bereichen (16) besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektroden-Leiterbahn
aus entartet dotiertem Silicium und der Anschluß-Leitungszug aus Metall besteht.
4. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß auf ein Substrat (12) mit P-Leitung, eine Epitaxieschicht (13) mi» N-Leitung aufwachsen
gelassen wird, in die sowohl dieDiffusionszonen jeweils mit N+ -Leitung als Bitleitungen (18) als auch
die Gate-Zonen (20) jeweils mit P-Leitung eindiffundiert werden, daß die Oxidationsbereiche (16) in der
Epitaxieschicht (13) formiert werden, so daß die Schaltungselemente (10) an den beiden parallel zu
den Bitleitungen (18) verlaufenden Seitenflächen vollständig und an den beiden übrigen Seiten unter
Freilassen der Bitleitungsenden von der Isolation eingegrenzt sind, daß die anschließend aufgebrachte
SiO2-Schicht sowohl mit für das Anbringen der Schottky-Dioden (33) erforderlichen rechteckigen
Öffnungen als auch mit den zum Laden der Gate-Zonen (20) dienenden Gate-Elektroden-Leiterbahnen
versehen wird und daß unter Freilassen der rechteckigen Öffnung für die Schottky-Dioden
(33), jeweils die Gate-Elektroden-Leiterbahnen sowie die Bereiche oberhalb der Bitkitungen (18)
überdeckend, die Glasdickschichten (23) aufgebracht werden, die anschließend mit oberhalb der Gatediffusionen
(20) verlaufenden und an diesen Stellen mit Öffnungen (26) versehenen Leitungszügen als
Wortleitungen (24) überdeckt werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das dielektrische Medium zumindest an einem aus zwei gegenüberliegenden Seiten eines
Schaltungselements (10) gebildeten Seitenpaar aus in die Epitaxieschicht (13) bis in das aus Silicium
bestehende Substrat (12) eingebrachten Oxidations-Die Erfindung betrifft eine Anordnung, wie sie dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.
Als Bild-Signal-Wandler werden in zunehmendem Maße Festkörper-Sensoren verwendet. Als wesentlicher
Nachteil wird hierbei jedoch ein verhältnismüßig niedriges Signalrauschverhältnis angesehen, das diesen
sogar inhärent zu sein scheint. Eine Zusammenstellung bisher bekannter Halbleiter-Bild-Signal-Wandler läßt
sich der Zeitschrift »IEEE Spectrum«, März 1969, Seiten 52 bis 65 und »IEEE Transactions on Electron
Devices«, April 1968, Bd. ED-15, Nr. 4, Seiten 256 bis 261
entnehmen. Alle diese eine große Anzahl von Schaltungselementen enthaltenden Festkörper-Bild-Signal-Wandler
weisen zwangsläufig auch eine entsprechende Anzahl von Streukapazitätsbereichen auf, die
über das gemeinsame Substrat und/oder über die an den auszulesenden Bildpunktelementen liegenden Anschlußverbindungen
miteinander gekoppelt sind, so daß das Ausgangssignal eines derartigen Festkörper-Bild-Signal-Wandlers
einen verhältnismäßig hohen Rauschpegel besitzt, der von kapazitiv eingekoppelten
Signalen nicht ausgelesener Bildpunktelemente herrührt. Im einzelnen entsteht ein jeweiliger Rauschanteil
während des Umschaltern von Bildpunktelement zu Bildpunktelement, so daß insoweit Koinzidenz mit dem
Bildsignal vorliegt und der Rauschpegel entsprechend hoch ist.
Eine Reihe von Möglichkeiten ist in Erwägung gezogen worden, um diesen Nachteil zu beheben. Als
Beispiel hierfür sei die Anordnung nach US-PS 21 839 entsprechend der deutschen Offenlegungsschrift
22 13 765 erwähnt, bei der ein Halbleiter-BiId-Si-
gnal-Wandler in monolithisch integrierter Halbleiterschaltungsbauweise
eine den Bildpunktelementen entsprechende Anzahl von Sperrschicht-Feldeffekttransistoren
enthält, wobei jedes Schaltungselement eine kreisförmige Drain-Zone enthält, die von einer Gate-Elektrode
mit PN-Übergang umgeben ist. Diese konzentrischen Zonen sind in einer als gemeinsame
Source-Zone dienenden Epitaxieschicht eingebettet. Auf einer der Epitaxieschicht aufliegenden SiOrSchicht
sind die Gate-Zuführungsleitungen sowie die BiOaitungen
aufgebracht. Das gemeinsame Substrat dient dabei als Wortieitung. Bei Betrieb werden zunächst die Gates
durch entsprechende Verarmung im jeweiligen Halbleiterbereich geladen. Je nach Stärke des Lichteinfalls
werden die einzelnen Gates der Bildpunktelemente mehr oder weniger entladen, so daß ein zum Auslesen
an die Drain-Elektroden einer Zeile oder Spalte angelegter Spannungsimpuls zu jeweiligen von der
Bildhelligkeit abhängigen Werten in der Stromstärke der Ausleseimpulse führt. Mit anderen Worten, dadurch,
daß die Impedanzen der einzelnen Feldeffekttransistorkanäle beim Auslesen gemessen werden, läßt sich mit
Hilfe dieses Verfahrens und einer derartigen Anordnung ein zerstörungsfreies Auslesen eines Bild-Signal-Wandlers
gewährleisten. 2r)
Die Ansprechschwellc läßt sich hierbei durch Ändern der Sperrvorspannung zwischen Epitaxie- und Substratschicht
in Abhängigkeit von der Tiefe der Verarmungszone steuern. Die Anzahl der hierzu erforderlichen
Metalleiterbahnen ist hierbei jedoch nachteilig, da neben der hierdurch bedingten, unvermeidlichen Streukapazität
der Platzbedarf für die erforderliche N'Ietallisierung
zu Lasten der hiermit zu erzielenden Bildauflösung geht. Die unter diesen Voraussetzungen zu
realisierende Packungsdichte einer derartigen monolithisch integrierten Halbleiterschaltung kann aber nur
schwer den an einen Bild-Signal-Wandler zu stellenden Anforderungen entsprechen.
Bei dieser Sachlage besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Bild-Signal-Wandler bereitzu- ίο
stellen, der unter Ausnutzen der Ladungsspeicherung in zu einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung
zusammengefaßten Sperrschicht-Feldeffekttransistoren mittels an sich bekannter Herstellungsverfahren mit
denkbar geringem Aufwand herzustellen ist, wobei bei zu erzielender, möglichst hoher Bildauflösung die
Streukapazitäten und damit verbundenes Übersprechen herabgedrückt sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen
ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich insofern schon leicht herstellen, als nur eine einzige Metalleiterbahn
pro Sperrschicht-Feldeffekttransistorzeile erforderlich ist. In der grundlegenden Ausführung wird bei
jedem Schaltungselement in der monolithisch integrierten Halbleiterschaltung eine von der Epitaxieschicht auf
dem Substrat umgebene Gate-Zone mit P-Leitung über ein Fenster in der Metalleiterbahn belichtet. Die
anfänglich geladene, potentialunabhängige Gate-Zone feo
ist gegenüber der Epitaxieschicht mit N-Leitung in Sperrichtung vorgespannt. Bei Lichteinfall entsteht ein
Leckstrom über den Übergang, so daß die Sperrspannung um einen von der Lichtintensität und der
-cinfallsdauer am rund um die Gate-Zone gebildeten M Übergang abhängigen Betrag reduziert wird. Der
Leitungswiderstand in der Epitaxieschicht unterhalb der Gate-Zone ist abhängig von der Breite der Verarmungszone und damit von der durch Lichteinfall über den
Leckstrom abgezogenen Ladung. Der jeweilige Widerstand der Feldeffekttransistorkanäle läßt sich dann, wie
gesagt, in ebenfalls bekannter Weise durch Anlegen eines Spannungsimpulses zum Auslesen des Bild-Signal-Wandlers
und Messen der Stromamplituden der Ausgangsimpulse erfassen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildung der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen.
Die Erfindung wird anhand einer Ausführungbeispielsbeschreibung mit Hilfe der un;en aufgeführten
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 bis 6 Schaltungselementquerschnitte nach Abschluß eines jeweiligen Verfahrensschrittes zur
Herstellung eines Bild-Signal-Wandlers in einfachster Ausführung,
Fig. 7 einen Querschnitt eines Schaltungselementes gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
Fig.8 eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäß
aufgebauten Halbleiter-Bild-Signal-Wandlers.
Gemäß Fig. la befindet sich auf einem Siliciumsubstrat
12 mit P-Leitung eine Epitaxieschicht 13 mit N-Leitung. Hierauf werden in die Epitaxieschicht 13
über entsprechende Masken-Fremda:ome eindiffundiert, so daß sich eine Anzahl von als Bitleitungen
dienenden Diffusionszonen 18 mit N + -Leitung ausbilden,
wie aus den F i g. 2a und 2b ersichtlich. Bereiche 16, die jeweils diskrete aktive Bereiche der Epitaxieschicht
13 mit N-Leitung umfassen (Fig. 3b), werden mittels eines auf entsprechende Abschnitte der Epitaxieschicht
13 über Masken einwirkenden Oxidationsverfahrens bis in das Substrat 12 hinein gebildet, so daß sich das in
Draufsicht gezeigte Muster ergibt. Hierbei werden die Schaltungselemente nahezu vollständig bis auf die
Enden der Diffusionszonen 18 von Oxidationsbereichen umgeben. Weiterhin ist zu ersehen, daß die parallel
zueinander verlaufenden Diffusionszonen 18 spaltenweise die betreffenden Schaltungselemente verbinden.
Wie aus den F i g. 4a und 4b hervorgeht, werden anschließend die Gate-Zonen 20 mit P-Leitung durch
Eindiffundieren entsprechender Fremdatome in die Epitaxieschicht gebildet. Die so eindiffundierten Zonen
dienen bei der Bildabtastung jeweils als potentialunabhängiges Gate, das in noch zu beschreibender Weise
aufgeladen wird. Anschließend wird auf die mit den genannten Bereichen und Zonen versehene Epitaxieschicht
13 eine dünne SiO2-Schicht aufgetragen, wie es den Ansichten nach Fig. 5a und 5b zu entnehmen ist.
Die in der SiO2-Schicht vorhandenen Öffnungen befinden sich über Bereichen der Epitaxieschicht 13, die
zur Ausbildung von Schottky-Dioden 33 vorgesehen sind, indem an diesen Stellen mit in einem der
nachfolgenden Verfahrensschritte aufzubringenden Metalleitungszügen Schottky-Kontakte hergestellt werden.
In den Fig.6a und 6b sind die in einem anschließenden
Verfnhrensschritt aufgebrachten polykristallinen Silicium-Leiterbahnen als Gate-Elektroden durch Aufwachsen
aufgebracht, indem entartete Dotierung eine verhältnismäßig große elektrische Leitfähigkeit gewährleistet.
Die Gate-Elektroden 30 befinden sich dabei auf der SiO2-Schicht direkt oberhalb der betreffenden
Gate-Zone 20.
Wie aus der Quersehnittsabbildung nach F i g. 7 ersichtlich, ist die Oberfläche eines Schaltungseleinents.
mit Ausnahme des Bereichs der Schottky-Diode 33, mit
einer Glasdickschicht 23 überzogen, um die Gate-Elektrode
30 gegenüber der später noch aufzubringenden Worlleitung 24 sowie im Zusammenwirken mit der
SiOi-Schieht 22, gegenüber der betreffenden Oberfläche der Epitaxieschicht 13 zu isolieren. Wie aus der
Querschnittsdarstellung nach Fig. 7 weiterhin hervorgeht, schmiegt sich diese Glasdickschicht 23 um die
Gate-Elektrode 30. Der oberhalb des Schaltungsclements verlaufende, aus Metall bestehende Leitungszug
stellt die Wortleitung 24 eines Bild-Signal-Wandlers dar und weist eine Öffnung 26 unmittelbar über der
Gate-Elektrode 30 auf, um den Lichteinfall in die Gate-Zone zu begünstigen. Die Kontaktstelle zwischen
dem Metall der Wortleitung 24 und der Epitaxieschicht 13 bildet eine Schottky-Diode 33. Ein so gebildetes
Schaltungselement läßt sich als Sperrschicht-Feldeffekttransistor verstehen, bei dem eine der die Source und
Drain darstellenden Elektroden über einen Schottky-Kontakt mit der Wortleitung 24 in Verbindung steht,
während die andere durch den entsprechenden Teil der Bitleilung 18 dargestellt ist.
Die in Fig. 8 gezeigte perspektivische Darstellung enthält zum besseren Verständnis angebrachte spezielle
Ausschnittsansichten. So sind die jeweils die Gate-Elektrode 30 sowie entsprechende Bereiche der SiGv
Schicht 22 überdeckenden Glasschichten 23 längs den Wortleitungen 24 aufgeschnitten und hierzwischen
entfernt angedeutet. Ebenso sind Teile der SiCb-Schicht 22 entfernt, um die Ansicht auf die darunterliegenden
Epitaxieschichtbereiche und das hierin eingebrachte Oxidationsbereichsmuster in entsprechenden Teilen
freizugeben.
Im einzelnen sind sechs Schaltungselemente 10 als Teil einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung
eines Halbleiter-Bild-Signai-Wandlers gezeigt. Hieraus
ist deutlich zu ersehen, daß sowohl die Bitleitungen 18 als auch die Gate-Elektroden 30 in einer gemeinsamen
Richtung verlaufen, während die Wortleitungen 24 hierzu orthogonal liegen.
Ein Schaltungselement, wie es in Fig. 7 gezeigt ist,
arbeitet wie folgt: Eine vorgegebene Grundladung ist an der potentialunabhängigen Gate-Zone 20 gespeichert
und wird jeweils um einen Betrag entladen, der von Intensität und Dauer des über Öffnung 26 einfallenden
Lichtes abhängig ist. Die jeweils an der Gate-Zone 20 verbleibende Ladung entspricht dann dem gespeicherten
Signal, obgleich in Wirklichkeit dieser Ladungsbetrag zur Bildhelligkeit in umgekehrter Abhängigkeit
steht.
tine derartige Vorkehrung gestattet aber zerstörungsfreie
Entnahme eines der Bild-Eingangsgröße entsprechenden Signals. Eine an die Schottky-Diode 33
über Wortleitung 24 und Bitleitung 18 angelegte Vorwärtsspannung führt dann zu einem Stromfluß von
der Wortleitung 24 über den Kanal unterhalb der Gate-Zone 20 zur Bitleitung 18. Der im Kanal
auftretende Stromanteil wird also in umgekehrter Abhängigkeit durch die in der Gate-Zone 20 gespeicherte
Ladung gesteuert.
Nach Aufladung der Feldeffekttransistoren läßt sich das Substrat 12 auf einer geeigneten Spannung, z. B.
—5 Volt, halten. Wortleitung 24 und Bitleitung 18 werden kurzzeitig auf —5 V abgesenkt, wohingegen die
Gate-Elektrode 30 auf etwa OV gehalten wird. Die potentialunabhängige Gate-Zone 20 wird dabei auf
etwa —4,3 V abgesenkt Sowohl Wort- als auch Bitleitung werden dann wiederum zurück auf OV
gebracht, wohingegen die Gate-Elektrode 30 auf etwa
— 5 V abgesenkt wird. Die beiden auf 0 V herabgedrück
ten Leilungs/.üge streben danach, die Gate-Zone 20 in'
Positive anzuheben, wohingegen die ins Negative gesteuerte Gate-Elektrode 30 danach strebt, die
Gate-Zone 20 weiter ins Negative zu steuern. Alles die führt dazu, daß die Gate-Zone 20 im Ergebnis au
angenähert — 3 bis —4 V zu liegen kommt. Der exakte Wert für diese Spannung ergibt sich als Funktion de:
Verhältnisses zweier Kapazitäten, wovon die eine die Gesamtkapazität zwischen der Gate-Zone 20 und der
Wort- und Bitleitungcn darstellt und die andere sich au;
der Gesamtkapa/.ität zwischen Gate-Zone 20 unc Gate-Elektrode 30 zusammensetzt. Es dürfte alsc
offensichtlich zweckmäßig sein, dieses Kapazitätsver hältnis so klein wie möglich zu halten, so daß die
Sperrspannung an der Gate-Zone 20 zum Ende einei Umschaltung von einer Wortleitung 24 auf die andere
möglichst groß ist. An dieser Stelle sei darau hingewiesen, daß bei diesem Vorgehen eine negative
statische Ladung auf die Gate-Zone 20 gebracht wird ohne daß ein direkter elektrischer Kontakt bierzt
besteht.
Anstatt Wechselstromsignale sowohl an die Gate Elektrode 30 als auch an die Bitleitung 18 eine;
jeweiligen Schaltungsclements anzulegen, läßt sich die potentialunabhängig betriebene Gate-Zone 20 vorat
zum Bereitstellen einer Sperrspannungsbedingung auf laden, indem das Wechselstromsignal entweder dei
Gate-Elektrode 30 oder der Bitleitung 18 untei Beibehalten des Potentials an der jeweils anderer
Leitung zugeführt wird. Hierdurch läßt sich die periphere Schaltkreisanordnung wesentlich vereinfa
chen, jedoch unter Inkaufnahme einer Dynamikbe reichsbeschränkung des jeweiligen Schaltungselements
da in diesem Falle der PN-Übergang der betreffender potentialunabhängigen Gate-Zone 20 vorab mit einei
entsprechend kleineren negativen Spannung aufgelader wird.
Zum Auslesen eines Signals wird die Wortleitung 24 auf eine Spannung von etwa +1 V angehoben, so daß
die aus dem Kontakt der Leitungsmetallisierung mit dei Epitaxieschicht 13 gebildete Schottky-Diode 33 ir
Vorwärtsrichtung vorgespannt wird und demzufolge eir Gleichstrom von hier über den eingeschnürten Kanalbereich
32 in der Epitaxieschicht 13 zur Bitleitung 18 fließt Die hierbei auftretende Stromstärke hängt von dei
Ladung in der Gate-Zone 20 ab, welche ihrerseits ir umgekehrter Abhängigkeit vom einfallenden Lichi
steht. Wie bereits mehrfach erwähnt, wird die Gate-Zone 20 durch diesen Auslesestrom nicht entladen,
so daß Auslesen in einem zerstörungsfreier Vorgang erfolgt. Durch jeweiliges Aufladen dei
Gate-Zone 20 ist aufeinanderfolgende Bildabtastung möglich.
Wie aus der Übersichtsdarstellung nach F i g. ί
ersichtlich, ist der aktive Bereich eines jeweiliger Schaltungselements gegen unerwünschten Lichteinfal
abgeschirmt, wenn von den Lücken zwischen der Wortleitungen 24 abgesehen wird. Diese Lücken lasser
sich jedoch je nach Bedarf auch noch abdecken.
Mit dem ausschnittsweise in Fig.8 gezeigter Bild-Signal-Wandler läßt sich eine große Bildauflösung
erzielen, da alle Betriebsleitungen jeweils um den aktiven Bereich der Schaltungselemente herum angeordnet
sind, welcher anders ausgedrückt einem Bildpunktelemcnt entspricht
Die Anordnung gemäß der Erfindung läßt sich auch dadurch realisieren, daß die Leitungstypen der hier
vorliegenden Hiilhlei'cr/onen ;ilk umgekehrt werden.
wobei dann allerdings vorausgesetzt werden muH. d:iH
cin guter Schottky-Kontakt jeweils /wischen I piiaxieschicht
mit P-Lutun·; und der Wonleitun^snicfjllisicrung
gcwährk'islet ist. Deniemsprecheiui müssen
natürlich auch die ['olanlaten der angelegten Potentiale
abgeändert werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentansprüche:i. Halbleiter-Bild-Signal-Wandler mit mindestens einer Reihe von als Phototransistoren ausgebildeten Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, die in Form gegenseitig isolierter Schaltungselemente eine monolithisch integrierte Halbleiterschaltung in einer Epitaxieschicht bilden, die auf einem an eine Potentialquelle anschließbaren Substrat vom ersten Leitungstyp aufgewachsen ist, mit einer SiC>2-Schicht bedeckt ist und vom zweiten Leitungstyp ist, die ihrerseits im Bereich ihrer freien Oberfläche bis hieran reichend für jedes Schaltungselement sowohl eine Gate-Zone des ersten Leitungstyps, die einem auf der SiOj-Schicht verlaufenden Leiter zugeordnet und gänzlich vom Halbleiter des zweiten Leitungstyps umgeben ist, als auch eine zur einen Seite der Gate-Zone liegende Diffusionszone enthält, die im Zusammenwirken mit einem Halbleiterbereich, der an einem oberhalb der SiÖ2-Schicht geführten Anschluß liegt, zur anderen Seite der Gate-Zone den Feldeffektkanal definiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionszone (18) in geradliniger Erstreckung längs einer der Kanten des Schaltiingselements (10) mit entarteter Dotierung vom zweiten Leitungstyp vorliegt, daß jedes Schaltungselement (10)
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