DE2643446C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus "SOLID STATE TECHNOLOGY", 1974, S. 67-77 bekannt. Es sind dort zwei Ausführungsfor­ men von Bildabtastzellen beschrieben. Bei der ersten Ausfüh­ rungsform sind zwischen benachbarten undurchsichtigen Trans­ ferelektroden schmale Zwischenräume belassen, durch die Licht in das Substrat eintreten kann, um dort geladene Berei­ che zu erzeugen. Bei der zweiten Ausführungsform bestehen die Transferelektroden aus dünnen Schichten aus polykristal­ linem Silizium, die lichtdurchlässig sind.

Bei der ersten Ausführungsform besteht der Nachteil, daß durch die Schlitze zwischen den Transferelektroden nur wenig Licht eintreten kann. Werden die Schlitze verbreitert, lei­ det darunter die Ladungsübertragung. Bei der zweiten Ausfüh­ rungsform besteht der Nachteil, daß eintretendes Licht, ins­ besondere kurzwelliges Licht, durch die polykristalline Sili­ ziumschicht geschwächt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Festkörper- Bildabtastvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß in sie ein möglichst großer Anteil aufgestrahlten Lichtes eintreten kann, ohne daß dies zu La­ sten der Ladungsverschiebungsqualität geht.

Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Die erfindungsgemäße Festkörper-Bildabtastvorrichtung unter­ scheidet sich von oben angegebenen bekannten Ausführungsbei­ spielen dadurch, daß die Transferelektroden im Bereich jeder Bildabtastzelle jeweils in Form eines Fensters auf einer Sei­ te des Zwischenraumes zwischen nebeneinanderliegenden Kanal­ sperrbereichen ausgespart sind. Dadurch, daß im Bereich der Bildabtastzellen vom Licht keine Transferelektrodenschicht zu durchdringen ist, erfolgt offensichtlich keine Schwächung durch solche Schichten, sondern es kann vielmehr Licht über eine relativ große Fläche ungehindert in das Substrat eintre­ ten. Für die Übertragungsqualität bringt dies keinen Nach­ teil, da im Restbereich des Zwischenraumes zwischen nebenein­ anderliegenden Kanalsperrbereichen die Vorrichtung nicht mehr die Funktion einer Bildabtastzelle, sondern nur noch Übertragungsfunktion aufgrund dort vorhandener Transferelek­ troden ausübt.

Eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung mit allen Merkmalen der Vorrichtung von Anspruch 1 ist in Figuren des älteren Pa­ tentes 25 58 337 dargestellt. Sieht man vom Merkmal ab, daß die Fensteraussparung der Transferelektroden auf einer Seite des Zwischenraumes zwischen nebeneinanderliegenden Kanal­ sperrbereichen liegen soll, sind die Merkmale von Anspruch 1 auch der Beschreibung des älteren Patentes entnehmbar. Im einzigen Anspruch des Patentes 25 58 337 ist jedoch nicht an­ gegeben, daß die Transferelektroden im Bereich der Bildab­ tastzellen, dort Foto-Sensorelemente genannt, ausgespart sein sollen. Auf dieses Merkmal kommt es beim älteren Patent 25 58 337 auch nicht an, da sich dieses Patent mit dem Pro­ blem beschäftigt, wie auf relativ einfache Weise die Anzahl der Minoritätsladungsträger gesteuert werden kann, die in dem Halbleiter-Substratkörper gespeichert werden können. Zum Lösen dieses Problems gemäß dem Patent 25 58 337 und demge­ mäß für die dortige patentierte Lehre ist es auch unerheb­ lich, ob die Transferelektroden über den Bildabtastzellen ausgespart sind oder nicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte Teildraufsicht auf eine Festkör­ per-Bildabtastvorrichtung mit Fenstern in den Transferelektroden über Bildabtastzellen,

Fig. 2, 3 und 4 Querschnitte entlang den Linien A-A, B-B bzw. C-C in Fig. 1;

Fig. 5A bis 5H Querschnitte zum Erläutern der Herstellung der Festkörper-Bildabtastvorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 6A und 6B Diagramme von Signalzügen, anhand derer die Ar­ beitsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erläutert wird;

Fig. 7 vergrößerte Teildraufsicht auf eine zweite Ausfüh­ rungsform einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung, die zum Durchführen eines anderen Ansteuerverfah­ rens eine andere Anordnung der Transferelektroden aufweist; und

Fig. 8 einen Querschnitt entlang der Linie D-D in Fig. 7.

Im folgenden soll ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Festkörper-Bildabtastvorrichtung unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4 erläutert werden.

Es wird ein Halbleitersubstrat 10, beispielsweise ein Siliciumsubstrat, hergestellt, das von einem bestimmten Leitfähigkeitstyp ist, das heißt vom P^-- oder (N^--) Typ, und eine geringe Störstoffkonzentration aufweist. Streifen­ förmige Kanal-Sperrbereiche 11, die eine hohe Störstoff­ konzentration und denselben Leitfähigkeitstyp, das heißt den P⁺- (oder N⁺-) Typ wie das Substrat 10 aufweisen, werden in dem Substrat 10 auf dessen Hauptfläche 10 a bei­ spielsweise in Spaltenanordnung mit einem vorbestimmten Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Sperrbereichen hergestellt. Eine Isolierschicht 12 aus Siliciumdioxid oder dergleichen wird auf die Hauptfläche 10 a des Substrats 10 aufgebracht. Erste Streifenelektroden 13 A aus durchsichtigem oder undurchsichtigem, leitenden Material wie polykristallinem Silicium oder Metall, beispielsweise Aluminium, Molybdän oder dergleichen, werden auf der Isolierschicht 12 in einer Richtung angebracht, die die Richtung der Sperr­ bereiche 11 schneidet, das heißt in Richtung der Reihe mit einem vorbestimmten Abstand zwischen nebeneinander­ liegenden Streifenelektroden. Die ersten Streifenelektro­ den 13 A sind in Fig. 1 nach rechts abfallend schraffiert. Eine weitere Isolierschicht 14, die beispielsweise aus SiO₂ besteht, wird auf die Oberflächen der Streifenelek­ troden 13 A und der zwischen diesen liegenden Bereiche aufgebracht, und zweite Streifenelektroden 13 B, die im wesentlichen aus demselben Material bestehen wie die ersten Streifenelektroden 13 A, werden zwischen neben­ einanderliegenden Streifenelektroden 13 A parallel zu diesen auf der Isolierschicht 14 derart angeordnet, daß beide Seiten der zweiten Streifenelektroden 13 B in Längsrichtung auf den angrenzenden ersten Streifenelek­ troden 13 A liegen und diese überlappen. Die zweiten Streifenelektroden 13 B sind in Fig. 1 nach links ab­ fallend schraffiert.

Es werden daher CTDs zwischen nebeneinanderliegenden Sperrbereichen 11 in Spaltenrichtung hergestellt. Erfindungsgemäß ist in dem Bereich, der zwischen neben­ einanderliegenden Sperrbereichen 11 seitlich versetzt ist, oder in dem Bereich, der eine Bildabtastzelle bil­ det, ein Fenster 15 vorgesehen, in dem sich keine Streifenelektroden 13 A und 13 B befinden. Der Abstand d zwischen den Streifenelektroden 13 A und 13 B wird so gewählt, daß das elektrische Feld, das durch die Strei­ fenelektroden 13 erzeugt wird, nicht auf die Oberfläche 10 a des Substrats 10 unterhalb der anderen Streifen­ elektrode 13 B einwirkt und beträgt beispielsweise mehr als 4 µm. Das Fenster 15 kann so ausgebildet sein, daß es sich bis zur Mitte des Sperrbereiches 11 er­ streckt, wie Fig. 1 zeigt. Dieses Fenster 15 dient als Bildabtastzelle.

Wenn notwendig, kann eine Isolierschicht 17 aus SiO₂ oder dergleichen die Elektroden 13 B abdecken, und eine transparente Elektrode 16, beispielsweise Nesa, wird auf die Isolierschicht 17 aufgebracht und deckt diese ab.

Die nebeneinanderliegenden ersten und zweiten Streifen­ elektroden 13 A und 13 B sind elektrisch zusammenge­ schaltet, beispielsweise jeweils an einem Ende, so daß sie insgesamt eine Übertragungselektrode 13 bilden. Jede zweite Übertragungselektrode 13, die auf diese Weise hergestellt wird, bildet einen Satz. Bei der Übertragung von Ladungen oder Trägern werden zwei­ phasige Taktimpulse ϕ 1 und ϕ 2 an die Elektrode 13 jedes Satzes gelegt.

Die transparente Elektrode 16 erhält ein festes Poten­ tial und wird beispielsweise an Masse gelegt.

Zum besseren Verständnis der oben beschriebenen Fest­ körper-Bildabtastvorrichtung der vorliegenden Erfindung soll ein Herstellungsverfahren unter Bezugnahme auf Fig. 5A bis 5H erläutert werden.

Wie Fig. 5A zeigt, wird zunächst das Halbleitersubstrat 10 mit den in Fig. 5A nicht dargestellten Kanal-Sperr­ bereichen 11 hergestellt, und eine Schicht aus Silicium­ dioxid (SiO₂) wird auf die Oberfläche des Halbleiter­ substrats 10 durch thermische Oxidation des Substrats zur Bildung einer Isolierschicht 12 ausgebildet.

Als nächstes wird gemäß Fig. 5B eine Siliciumschicht 20 mit geringem Widerstand auf der Isolierschicht 12 durch Einbringen eines Störstoffes vom P-Typ oder N-Typ in eine polykristalline Siliciumschicht mit hoher Konzentra­ tion hergestellt.

Sodann wird die polykristalline Siliciumschicht 20 einer Photoätzung unterworfen, so daß unnötige Bereiche ent­ fernt werden und die ersten Streifenelektroden 13 A in der Siliciumschicht 20 entstehen, wie Fig. 5C zeigt. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Bereich, der dem Fenster 15 gemäß Fig. 1 entspricht, in der ersten Streifenelektrode 13 A hergestellt.

Wie aus Fig. 5D hervorgeht, wird die Isolierschicht 15 aus SiO₂ auf der gesamten Oberfläche des in Fig. 5C gezeigten Elements durch chemische Dampfablagerung oder thermische Oxidation ausgebildet.

Gemäß Fig. 5E wird eine polykristalline Siliciumschicht 21 auf der Isolierschicht 14 durch Einbringen eines Störstoffes vom P-Typ oder N-Typ mit hoher Konzentra­ tion in die Isolierschicht 14 erzeugt.

Sodann wird die polykristalline Siliciumschicht 21 einer Photoätzung unterworfen, so daß unnötige Bereiche ent­ fernt werden und die zweiten Streifenelektroden 13 B ge­ mäß Fig. 5F entstehen.

Wenn notwendig, wird eine Isolierschicht 17 hergestellt, die wenigstens teilweise die zweiten Streifenelektroden 13 B abdeckt, indem SiO₂ durch thermische Oxidation oder dergleichen erzeugt wird, wie Fig. 5G zeigt.

Weiterhin kann im Bedarfsfalle eine transparente Elek­ trode 16, beispielsweise Nesa, auf die Isolierschicht 17 gemäß Fig. 5H aufgebracht werden.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Festkörper-Bildabtastvorrichtung unter Bezugnahme auf Fig. 6A und 6B erläutert werden. Während der Licht­ aufnahmeperiode der Bildabtastzelle, oder während der Periode τ 1, in der ein Ladungs- oder Trägermuster ent­ sprechend einem aufzunehmendem Lichtbild erzeugt wird, wird eine der beiden Elektrodengruppen, die durch Ver­ bindung jeder zweiten Elektrode 13 hergestellt werden, mit dem Zeitimpuls von beispielsweise -10 V versehen, wie in Fig. 6A gezeigt ist, während die andere Elektro­ dengruppe gemäß Fig. 6B auf 0 V gehalten wird. Auf die­ se Weise werden die Ladungen oder Träger, die in das Substrat 10 unterhalb der jeweiligen Fenster 15 in den Elektroden 13 induziert werden, mit einer Spannung von -10 V während der Lichtaufnahmeperiode τ 1 versorgt, die sodann zu den Teilen des Substrats 10 unterhalb der Elektroden 13 der Elektrodengruppe übertragen wird, und in dem Substrat 10 eine nicht gezeigte Potentialquelle darstellt und dort gespeichert wird. Wenn daher auf­ einanderfolgende Zweiphasen-Taktspannungen Φ 1 und Φ 2 während der nächsten Übertragungsperiode τ 2 an die Elektroden angelegt werden, werden die gespeicherten Ladungen oder Träger nacheinander auf angrenzende Elek­ troden 13 in einer Richtung und sodann auf ein Speicher­ feld übertragen. Wenn in diesem Falle das Fenster 15 den Sperrbereich 11 teilweise überlappt, kann dieser Bereich ebenfalls als Bildabtastzelle verwendet werden.

Bei der erfindungsgemäßen Festkörper-Bildabtastvorrich­ tung, die oben beschrieben wurde, befindet sich keine Elektrode 13 in dem Bildaufnahmebereich, so daß nicht der Fehler auftritt, daß die Lichtaufnahmeempfindlichkeit durch die Elektrode 13 beeinträchtigt wird, insbesondere wenn es sich um kurzwelliges Licht handelt. Außerdem befinden sich in den Bereichen der Elektroden 13 außer­ halb der Fenster 15, oder in den Bereichen, die als Ladungsübertragungskanäle dienen, keine Zwischenräume, so daß die Ladungsübertragungsfähigkeit verbessert wird.

Im allgemeinen ist die Ladungsübertragungsfähigkeit nicht proportional zu der Breite des Übertragungskanals in der Funktion erster Ordnung, aber wenn die Breite des Übertragungskanals verringert wird, nimmt die Über­ tragungsfähigkeit plötzlich ab.

Da bei der erfindungsgemäßen Bildabtastvorrichtung ein Fenster 15 in einer Position vorgesehen ist, die zu einer Seite des Bereiches zwischen nebeneinanderlie­ genden Sperrbereichen 11 versetzt ist, kann die effek­ tive Breite des Übertragungskanalbereiches groß gewählt werden. Dies führt dazu, daß auch die Übertragungs­ fähigkeit verbessert wird.

Wenn der Abstand d des Fensters 15 zwischen den Elektroden 13 zu klein oder kleiner als ein vorbe­ stimmter Wert ist, der beispielsweise 4 µm beträgt, kann die Gefahr bestehen, daß die Ladungsübertragung innerhalb des Fensters 15 erfolgt. In diesem Falle kann die Ladung, die durch das Fenster hindurchgeht, kaum durch die Spannung der Elektrode beeinflußt werden, jedoch durch die SiO₂-Schicht auf dem Fenster 15, auf dem sich keine Elektrode befindet. Daher ändert sich die Übertragungsfähigkeit mit der Position. Aus diesem Grunde kann ein gleichmäßiges Bild nicht erzielt werden und die Auflösung wird beeinträchtigt. Daher ist es wünschenswert, daß der Abstand d größer als ein vorbestimmter Wert ist.

Die obigen Ausführungen beziehen sich auf ein Ausfüh­ rungsbeispiel mit Zweiphasen-Taktimpulsen. Die Ver­ wendung eines Dreiphasen-Taktgebers soll im Zusammen­ hang mit Fig. 7 und 8 erläutert werden, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente wie die voran­ gegangenen Figuren bezeichnen.

In diesem Falle ist die Isolierschicht 12 aus SiO₂ oder dergleichen ebenfalls auf einer Hauptfläche 10 a des Halbleitersubstrats 10 mit den Kanal-Sperrbereichen 11 vorgesehen, und eine Schicht hohen Widerstandes, wie eine eigenleitende, polykristalline Siliciumschicht 22 wird auf der gesamten Oberfläche der Isolierschicht 12 angeordnet. Ein Störstoff vom P-Typ oder N-Typ wird selektiv mit hoher Konzentration in die Silicium­ schicht 22, beispielsweise durch Diffusion, zur Her­ stellung der Elektroden 13 eingebracht. In diesem Falle wird eine halb-isolierende Schicht 23, die aus Teilen der polykristallinen Siliciumschicht 22 besteht, zwischen nebeneinanderliegenden Elektroden 13 angebracht, und Teile der Siliciumschicht 22 werden durch Photo­ ätzen zur Bildung der Fenster 15 entfernt. Jeweils jede dritte Elektrode ist elektrisch zusammengeschaltet, so daß drei Sätze von Elektrodengruppen entstehen, die jeweils mit den Dreiphasen-Impulsen Φ 1, Φ 2 und Φ 3 bei der Übertragung der Ladung versorgt werden.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Lichtaufnahme ebenfalls durch das Fenster 15 in der Elektrode 13, so daß die Lichtaufnahme-Empfindlichkeit speziell im Hinblick auf kurzwelliges Licht im Vergleich zu dem Fall verbessert werden kann, bei dem das Licht durch eine Elektrode aus polykristallinem Silicium hin­ durch aufgenommen wird. Da sich weiterhin die halb­ isolierende Schicht 23 zwischen nebeneinanderliegenden Elektroden außerhalb der Fenster 15 befindet, entstehen keine nennenswerten Zwischenräume zwischen den Elektro­ den 13, so daß die Ladungsübertragungsfähigkeit hoch ist.

Claims (5)

1. Festkörper-Bildabtastvorrichtung mit

• - einem Halbleitersubstrat (10) eines bestimmten Leit­ fähigkeitstyps,
• - einer Isolierschicht (12) auf einer Oberfläche (10 a) des Substrates,
• - mehreren parallel zueinander verlaufenden Kanalsperr­ bereichen (11) vom Leitfähigkeitstyp des Substrats an der Oberfläche, auf der die Isolierschicht auf­ gebracht ist,
• - einer Vielzahl von rechtwinklig zu den Kanalsperrbe­ reichen verlaufenden Transferelektroden (13; 13 a, 13 b) zum Übertragen von Ladungen zwischen den Kanalsperr­ bereichen in Richtung der Sperrbereiche, und
• - jeweils einer Bildabtastzelle zwischen benach­ barten Kanalsperrbereichen und benachbarten Trans­ ferelektroden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Transferelektroden (13; 13 a, 13 b) im Bereich der Bildab­ tastzelle jeweils in Form eines Fensters (14) auf einer Seite des Zwischenraumes zwischen nebeneinanderliegenden Kanalsperrbereichen (11) ausgespart sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Fenster (15) in Richtung der Sperrbereiche (11) so groß ist, daß keine Ladungsübertragung aufgrund der Funktion der Transferelektroden (13) innerhalb des Fensterbereiches erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Wert mindestens 4 µm beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (15) die Sperrbereiche (11) teilweise über­ lappen.