DE2618964C2 - Ladungsgekoppelte Bildabtastvorrichtung - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Festkörper-Bildabtaster oder -Bildwandler, der insbesondere eine ladungsgekoppelte Abtasteinheit (CCD-Einheit) enthält also eine Halbleiterbaueinheit mit mehreren lokalen Speicherplätzen zur Speicherung elektrischer Ladungen, die in bestimmter Weise von einem zum nächsten Speicherplatz weitergereicht und abgefragt werden können. Zu solchen CCD-Einheiten im Rahmen der Erfindung gehören vor allem Oberflächen-CCDs, VoIumen-CCDs und Satzgruppenspeicher, die auch als Bukket-Brigade-Speicher (BBD-Speicher) bezeichnet werden.

Die F i g. 1 der Zeichnungen verdeutlich eine herkömmliche dreiphasige CCD-Einheit, die in N-leitendes Siliciumsubstrat 1 umfaßt, auf das eine Siliciumdioxidschicht 2 aufgebracht ist, auf deren Oberseite Übertragelektroden 3 angeordnet sind. Diesen Gateelektroden 3 werden Taktimpulse 0i, 0₂bzw. 0₃ zugeführt.

Es sind auch Zweiphasen-Oberflächen-CCDs bekannt, bei denen die Dicke der Siliciumdioxidschicht 2 unter jeder Elektrode 3 in Richtung der Ladungsübertragung variiert ist, um eine abgestufte Potentialwanne für Ladungsträger zu erreichen.

Bei Festkörper-Bildabtastern herkömmlicher Bauart wird bildweise oder zeilenweise Übertragung vorgesehen. Die F i g. 2 zeigt schematisch ein Bildübertragungssystem, bei dem ein Bildbereich 5 und ein Speicherbereich 6 sowie ein Schieberegister 7 vorhanden sind. Die durch auftreffendes Licht im Bildbereich 5 erzeugten Ladungen werden gleichzeitig in den Speicherbereich 6 übertragen und über das Schieberegister 7 sequentiell ausgelesen. Beim zeilenweisen Übertragungssystem nach F i g. 3 dagegen sind jeweils vertikale Bildbereiche 8. Vertikalschieberegister 9 sowie ein Horizontalschieberegister 10 vorhanden. Die in den Bildbereichen 8 durch auftreffendes Licht entstehenden Ladungen werden simultan zu den vertikalen Schieberegistern 9 und sequentiell zum horizontalen Schieberegister 10 übertragen.

Bei der Halbleiterspeichereinheit nach Fig. 1 entstehen elektrische Ladungen durch Lichtenergie, die durch eine Siliciumdioxidschicht 2 zwischen den Elektroden 3 hindurchtritt Solche Vorrichtungen zeichnen sich durch

ίο eine hohe Lichtempfindlichkeit aus; aufgrund einer unbefriedigenden Passivierung jedoch entstehen störende positive Ladungen in der Siliciumdioxidschicht 2, wenn diese belichtet wird. Diese positiven Ladungen erzeugen einen Speichereffekt, der unerwünscht ist

Die F i g. 4 zeigt eine andere Ausführungsform einer bekannten CCD-Einheh, bei der die Siliciumdioxidschicht 2 vollständig durch reines polykristallines SiIicum 11 überdeckt ist und zur Erzeugung von Bereichen 11a mit niedrigem spezifischen Widerstand Verunreinigungen selektiv in die Siliciumschicht 11 eindiffundiert sind. Zur Ausbildung der Übertragungselektroden 3 ist an den betreffenden Stellen Aluminium auf der reinen polykristallinen Schicht 11 niedergeschlagen. Eine solche Vorrichtung zeichnet sich durch eine gute Passivierung aus, jedoch wird die Empfindlichkeit gegen Licht kürzerer Wellenlängen wegen der vorhandenen Siliciumschicht 11 geringer. Auch ist der spezifische Widerstand der Siliciumschicht 11 nicht hoch genug, um das Auftreten von Leckströmen zwischen den Elektroden 3 zu verhindern.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ladungsgekoppelte Bildwandlerelemente zu schaffen, die sich einerseits durch eine gute Passivierung, also Unempfindlichkeit gegen Störeinflüsse auszeichnen und andererseits eine hohe Empfindlichkeit auch gegen Licht kürzerer Wellenlängen (also insbesondere Blau)

im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen mit einer Schicht aus reinem polykristallinen Silicium aufweisen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser technischen

•40 Aufgabe gibt der Patentanspruch 1 an, für dessen Merkmale vorteilhafte Weiterbildungen in der nachfolgenden Beschreibung und in Unteransprüchen gekennzeichnet sind.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, einen CCD-Bildabtaster mit Sauerstoffdotierten polykristallinen Siliciumelektroden auszustatten und zwischen den Elektroden und über dem lichtempfindlichen Abschnitt des Substrats ebenfalls eine sauerstoffdotierte polykristalline Siliciumschicht vorzusehen. Mit dieser Maßnahme ergibt sich eine wesentlich verbesserte Passivierung und die Leckströme zwischen den Elektroden werden vergleichsweise niedrig, andererseits aber ergibt sich im Vergleich zu Vorrichtungen dieser Art, die reine polykristalline Siliciumschichten enthalten, eine höhere Empfindlichkeit gegen Licht kürzerer Wellenlängen.

Unter dem hier verwendeten Begriff »polykristallines Silicium« wird auch amorphes Silicium verstanden.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen in beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine bereits erwähnte bekannte CCD-Abtasteinheit:

F i g. 2 die Draufsicht auf eine bekannte Anordnung

bi einer Bildübertragvorrichtung;

F i g. 3 die Anordnung eines bekannten Systems /ur zcilenweisen Informationsübertragung;

F i g. 4 eine andere bekannte Ausführungsform einer

CCD-Abtasteinheit;

F i g. 5 eine erste Ausführungsform der Erfindung;

Fig.6 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 in graphischer Darstellung den Zusammenhang zwischen der Sauerstoffkonzentration in einer polykristallinen Siliciumschicht und deren spezifischem Widerstand;

F i g. 8 eine Vorrichtung zur Herstellung einer Abtasteinheit ycmäß der Erfindung;

Fig.9 in graphischer Darstellung den Zusammenhang der Sauerstoffkonzentration und der Energie des Bandabstands;

F i g. 10 die Draufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 11 eine vergrößerte prinzipielle Schnittdarstellung gesehen in Richtung der Pfeile A-A an der Schnittlinie in F ig. 10 und

Fig. 12 eine Schnittdarstellung gesehen in Richtung der Pfeile B-B einer zugeordneten Schnittlinie in Fig. 10.

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 5 ist aus einem N-leitenden Siliciumsubstrat 1 eine Siliciumdioxidschicht ausgebildet Die ganze Oberseite der Siliciumdioxidschicht 2 ist mit einer sauerstoffdotierten polykristallinen Siliciumschicht 13 überdeckt, in die durch Diffusion oder Ionenimplantation selektiv Sauerstoff dotiert wurde, um Bereiche 13a mit niedrigem spezifischen Widerstand auszubilden. Auf den Bereichen 13a sind Aluminiumelektroden 14 niedergeschlagen, um Übertragelektroden 3 zu erhalten. Die licht- oder photoempfindlichen Abschnitte 15 liegen zwischen den Elektroden 3.

Die F i g. 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei der eine sauerstoffdotierte polykristalline Siliciumschicht 13 über der Siliciumdioxidschicht 2 auf dem Substrat 1 liegt und über dieser polykristallinen Siliciumschicht 13 Aluminiumelektroden 3 ausgebildet sind. Bei jeder der Ausführungsformen nach den Fig.5 und 6 ist der photoerzeugende Abschnitt zwischen den Elektroden 3 durch eine Siliciumschicht überdeckt. Die Sauerstoffkonzentration in der polykristallinen Siliciumschicht 13 wird im Bereich zwischen 10 bis 50 Atom% gehalten.

Die F i g. 7 zeigt die Abhängigkeit des spezifischen Widerstands von polykristallinem Silicium in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration. Die dargestellte Kurve gilt für eine mittlere Siliciumkorngröße von 200 bis 300 Ä. Ersichtlicherweise steigt der spezifische Widerstand mit der Sauerstoffkonzentration an.

Die mittlere Korngröße der polykristallinen Siliciumschicht 13 liegt im Bereich zwischen 50 und 1000 A. Ist die Korngröße kleiner als 50 A, so nähern sich die Eigenschaften des polykristallinen Siliciums jenen von Siliciumdioxid an, so daß leicht der unerwünschte Speichereffekt auftritt. Auch ist für so kleine Korngrößen eine niedrige Reaktionstemperatur erforderlich, wobei sich dann nur sehr kleine Wachstumsgeschwindigkeiten erreichen lassen. Liegt die Korngröße über 1000 A, so steigt der Leckstrom unerwünscht an.

Die sauerstoffdotierte polykristalline Siliciumschicht 13 läßt sich durch ein schemisches Dampfniederschlagsverfahren (CVD-Verfahren) mit einer in F i g. 8 im Prinzip dargestellten Vorrichtung herstellen. Das Substrat 1 ist in einen Reaktor 21 eingebracht, der auf eine Temperatur im Bereich von 600 bis 750⁰C, beispielsweise auf 65O⁰C, aufgeheizt wird. Der Reaktor 21 ist über Ventile 25,26 und 27 an eine Trägergasquelle 22 (N2), eine Siliciumquelle 23 (SiH₄) und an eine Sauerstoffquelle 24 (N₂O, NO oder NO₂) angeschlossen. SiH₄ (Monosilan) wird als Siliciumlieferant deshalb bevorzugt, weil sich damit polykristalline Siliciumschichten bei relativ nied-

riger Reaktionstemperatur erzielen lassen. Wird stattdessen SiCl₄ verwendet, so wird eine höhere ReaktionE-temperatur, etwa 900⁰C, benötigt Bei dieser Temperatur jedoch ergeben sich größere Korngrößen, so daß die Leckströme ansteigen. Die Sauerstoffkonzentration wird durch Einregulierung des Strömungsverhältnisses von N₂O und SiH₄ eingestellt und überwacht

Da die polykristalline Schicht 13, die als »semi-isolierend« bezeichnet werden kann, über der SiO₂-Schicht 2 liegt, wird der Oberflächenzustand des Siliciumsubstrats 1 gut stabilisiert, da die in der Siliciumschicht 13 vorhandenen Ladungen die Ladungen in der SiOrSchicht 2 neutralisieren. .

Da die sauerstoffdotierte Siliciumschicht 13 die photoempfindlichen Abschnitte 15 des Substrats überdeckt.

steigt die Empfindlichkeit gegen Licht kürzerer Wellen-, länge (Blau) an im Vergleich zu bekannten Bildabtast- ₍ vorrichtungen, bei denen reines polykristallines Silicium vorgesehen ist, da die Bandabstandsenergie für sauerstoffdotiertes polykristallines Silicium größer ist als für reines polykristallines Silicium.

Die Verteilung der Bandabstandsenergie in Abhän-. gigkeit von der Sauerstoffkonzentration in Atom% ist in F i g. 9 dargestellt Polykristallines Silicium, das Sauerstoff in einem Anteil von 36 bis 49 Atom% enthält weist einen um 0,2 bis 0,4 Elektronenvolt breiteren Bandabstand auf als reines polykristallines Silicium.

Die Schicht 13 verbessert außerdem die Isolation zwischen den Elektroden 3 und dem Substrat 1, selbst wenn Haarrisse oder dergleichen in der Siliciumdicxidschicht 2 vorhanden sein sollten.

Die Fig. 10, 11 und 12 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung in Anwendung auf eine zweiphasige CCD-Bildabtasteinheit, die für eine zeilenweises Abtastsystem vorgesehen ist. Die Draufsicht der F i g. 10 läßt das Substrat 1 erkennen, auf dem eine Siliciumschicht 2 ausgebildet ist (vgl. Fig. 11 und 12). Die dargestellte Ausführungsform ist für eine zweiphasige CCD-Einheil bestimmt, bei der zeilenweise Übertragung oder Ausnutzung von Bildbereichen 8 und Schieberegistern 9 vorgesehen ist Die in den F i g. 10 und 11 angegebene sauerstoffdotierte polykristalline Siliciumschicht 13 liegt über der Siliciumdioxidschicht 2. Über der Siliciumdioxidschicht 2 werden die mit Verunreinigungen dotierten polykristallinen Schichtelektroden 3 ausgebildet und die sauerstoffdotierte polykristalline Siliciumschicht 13 liegt über der Siliciumschicht 3. Die durch Photonenabsorption gebildeten Ladungsträger entstehen unter dem lichtempfindlichen Abschnitt 15 und werden unter die Elektroden 3 in der Richtung A-A übertragen. Um den Rückfluß der Ladungen zu verhindern, werden unter den Elektroden 3 abgestufte Potentiale vorgesehen. Weiterhin sind Kanalbegrenzer oder Kanalstopper 33 vorhanden, wie die F i g. 11 erkennen läßt. Die Ladungen werden sequentiell in der Richtung

to B-B in vertikale Schieberegister 9 übertragen. Die sauerstoffdotierte polykristalline Siliciumschicht 13 kann durch Aluminiumelektrodenschichten 34 überdeckt sein, außer an den lichtempfindlichen Bereichen 15.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 Patentansprüche:

1. Bildabtastvorrichtung mit einem durch eine Isolationsschicht überdeckten Halbleitersubstrat und über der Isolationsschicht aufgebrachten Übertragungselektroden sowie einer auf der Isolationsschicht aufgebrachten polykristallinen Siliciumschicht gekennzeichnet durch eine Sauerstoffdotierung der Siliciumschicht (13).

2. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Halbleitersubstrat eine bestimmte Leitfähigkeit aufweist und die Isolationsschicht eine Hauptfläche des Substrats überdeckt dadurch gekennzeichnet daß die über der Isolationsschicht (2) liegende, Sauerstoff enthaltende, polykristalline Siliciumschicht (13) räumlich gegeneinander getrennte Bereiche (13a,> geringerer Dotierung und geringeren spezifischen Widerstands aufweist die von den Übertragungselektroden (3) überdeckt sind.

3. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Sauerstoffkonzentration im Bereich von 10 bis 50 Atom% liegt

4. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die mittlere Korngröße der polykristallinen Siliciumschicht im Bereich zwischen 50 bis 1000 A liegt.

5. Bildabtastvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (2) unter den Elektroden in mindestens zwei gegeneinander in senkrechter Richtung zur Elektrodenfläche abgesetzte Abschnitte unterteilt ist (F ig. 10 bis 12).