DE2741226C3

DE2741226C3 - Festkörper-Farbbildaufnahmeeinrichtung

Info

Publication number: DE2741226C3
Application number: DE2741226A
Authority: DE
Inventors: Norio Tokio Koike; Masaharu Hachioji Tokio Kubo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-09-13
Filing date: 1977-09-13
Publication date: 1980-07-17
Also published as: FR2364578A1; JPS5335322A; JPS5941351B2; DE2741226A1; NL7710002A; GB1573185A; DE2741226B2; FR2364578B1; US4242694A

Description

^ine Festkörper-Farbbildaufnahmeeinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 25 04 317 bekannt. Bei derartigen Einrichtungen bestehen folgende Schwierigkeiten:

(a) Die optische Absorptionskante von Silicium liegt bei einer Wellenlänge von 900 nm, und die Lichtempfindlichkeit des Siliciums ist im infraroten Bereich hoch. Die Lichtempfindlichkeit von Silicium ist dagegen im sichtbaren Bereich (450 bis 660 nm), insbesondere im blauen Spektralbereich (450 nm), der für die gewöhnliche Bildaufnahme erforderlich ist, sehr gering. Zum Nachweis wurde versuchsweise zunächst eine Farbkamera mit drei Platten hergestellt, bei der drei Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtungen mit Silicium-MOS-Struktur für Blau (450 nm), Grün (550 nm) bzw. Rot (660 nm) verwendet wurden. Dabei hat sich gezeigt, daß die Lichtempfindlichkeit der Bildaufnahmeeinrichtung für blaues Licht nur etwa '/5 der Lichtempfindlichkeit der hochempfindlichen Bildaufnahmeeinrichtung für rotes Licht und die Lichtempfindlichkeit der Bildaufnahmeeinrichtung für grünes Licht etwa ²Zi der Lichtempfindlichkeit der Bildaufnahmeeinrichtung für rotes Licht ist. Die durch das einfallende Licht erzeugten Ladungen werden in den Halbleiterübergang-Kapazitäten der Photodioden gespeichert und mit einer vorgegebenen Frequenz (nach der NTSC-Norm beträgt diese Frequenz 30 Hz) ausgelesen. Wenn die in der Photodiode für Rot gespeicherten Ladungen die Kapazität bereits voll ausnutzen, sind in der Kapazität der Photodioden für Grün Signalladungen nur bis zu ²Zi der Speicherkapazität und in der Kapazität der Photodiode für Blau nur '/5 der Speicherkapazität gespeichert. Der Rauschabstand der Einrichtung für Blau ist daher sehr klein, was zu schwerwiegenden Nachteilen bei der praktischen Verwendung führt oder die praktische Verwendung ganz ausschließt. Wird der Rauschabstand dadurch verbessert, daß die Signalladungen die gesamte Dioden-Speicherkapazität in der Einrichtung für Blau ausnützen, so wird die Dioden-Speicherkapazität bei der Einrichtung für Rot um das Vierfache und die Dioden-Speicherkapazität bei der Einrichtung für Grün um das Doppelte überschritten. Daher fließen die die Speicher-Kapazität der Photodioden übersteigenden Ladungen in die Umgebung ab, wodurch das Auflösungsvermögen bei den Einrichtungen für Rot und für Blau verschlechtert wird.

(b) In die Bildaufnahmeeinrichtung dringt auch Licht mit einer größeren Wellenlänge als Rotlicht, d.h. Infrarotlicht ein, und erzeugt unnötige und nicht gewünschte Ladungen Da der Absorptionskoeffizient bei Silicium für Infrarotstrahlung klein ist, dringt die Infrarotstrahlung tief in das Siliciumsubstrat ein. Die dabei erzeugten Ladungen diffundieren nicht nur an der

Stelle, an der die infrarote Strahlung einfällt, in die Diode, sondern auch in die umgebenden Dioden, so daß dadurch auch wieder das Auflösungsvermögen der Bildaufnahmeeinrichtung wesentlich verschlechtert wird.

Wenn also getrennte Bildaufnahmeeinrichtungen für jeweils eine der drei Primärfarben in der zuvor beschriebenen Weise verwendet werden, muß das optische System für die jeweiligen drei Primärfarben bis zu einem gewissen Maße getrennt voneinander ausgebildet sein. Dies macht das Aufnahmegerät groß. Abgesehen von der Tatsache, daß die Ausrichtung der drei Bildaufnahrneeinrichtungen, die erforderlich ist, um die Bilder mit den drei Primärfarben genau übereinander zu bekommen, schwierig ist, wird die gesamte Kamera auch notwendigerweise teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bildqualität bezüglich Farbtreue, Rauschabstand und Auflösung bei einer Festkörper-Farbbildaufnahmeeinrichtung der eingangs angesprochenen Gattung zu verbessern.

Bei der Lösung dieser Aufgabe gemäß dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 werdei: Jie Unterschiede in der Lichtempfindlichkeit iur die einzelnen Farben dadurch kompensiert, daß die Lichtmengen der jeweiligen Farbkomponenten, die in den zugehörigen photoelektrischen Elementen Ladungsträger erzeugen, der tatsächlichen Intensität der betreffenden Farbkomponenten entsprechen. Dadurch wird einerseits verhindert, daß der Rauschabstand für blaues Licht zu klein wird, und andererseits, daß das Auflösungsvermögen aufgrund eines Überfließens von durch rotes Licht überschüssig erzeugten Ladungen oder aufgrund von Ladungsdiffusion von bei rotem Licht in zu großer Tiefe erzeugten Ladungsträgern verringert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. IA einen Querschnitt durch eine Festkörper-Farbbildaufnahmeeinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. IB eine Darstellung zur weiteren Erläuterung des Ausführungsbeispiels nach Fig. IA,

Fig. IC eine Draufsicht auf die Einrichtung nach Fig. IA,

Fig. ID bis IH Querschnitte zur Erläuterung verschiedener Stufen bei der Herstellung des Ausfiihrungsbeispiels nach Fig. IA und

F i g. 2 bis 7 Querschnitt«? durch weitere Ausführungsbeispiele der Festkörper-Farbbildaufnahmeeinrichtung.

Bei der in ^F i g. 1A bis 1H ;jezeigten Ausführungsform einer Festkörper-Bildaufnahmeeinrichlung, wobei Fig. IA einen Schnitt längs der in Fig. IC eingezeichneten Schnittlinie IA-IA darstellt, sind in einem Silicium-Halbleitersubstrat I eines ersten Leitfähigkeitstyps (beispielsweise mit η-Leitfähigkeit) photoelektrische Elemente integriert. Mit dem Pfeil 100 ist das einfallende Licht angedeutet. Die Bereiche R. G und B bilden die rot, grün, blau zugeordneten photoelektrischen Elemente. Diese drei Elemente bilden eine Einheit oder eine Gruppe und sind in regelmäßiger Anordnung als Matrix angeordnet. Ein in Fig. IC dargestelltes optisches Filter 101 teilt das Bild eines aufzunehmenden Gegenstandes in die jeweiligen Farbkomponenten (in diesem Ausführungsbeispiel in drei Primärfarben Rot, Grün und Blau) iHif und '·&. durch Aufkleben oder eine andere Befestigu'igsart auf der dem einfallenden Licht 100 zugewandten Seite dieser Einrichtung ausgebildet bzw. aufgebracht. Das Licht der getrennten Farbkomponenten trifft auf die jeweiligen photoelektrischen Elemente auf. Das optische Filter 101 besteht aus einem streifenförmigen Farbfilterelement 101/? für Rot, einem streifenförmigen Farbfilterelement 101G für Grün und einem streifenförmigen Farbfilterelement 101 Sfür Blau.

Jedes photoelektrische Element umfaßt eine Gate-Elektrode 2/?, 2G oder 2fl, die von einer Isolierschicht 3 umgeben dnd, eine Drain-Elektrode 4/?, 4C oder 4ß, die aus einer fremdatomdotierten Schicht eines zweiten Leitfähigkeits'yps (beispielsweise vom p-Leitfähigkeits typ), der dem Leitfähigkeitstyp des Substrats entgegengesetzt ist, ausgebildet ist, sowie eine Source-Elektrode SR, SG oder SB, die als fremdatomdotierte Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet ist. Ein Übergang (beispielsweise ein p-n-Übergang), der zwischen jeder Source-Zone und dem Substrat liegt, wird als Photodiode für die photoelektrische Umwandlung verwendet (da der Source-Übergang auch als Photodioden-Übergang dient, und die eindeutige und k!:-.e Beschreibung dieser Einrichtung dadurch nicht beeinträchtigt wird, wird die Photodiode nachfolgend mit demselben Bezugszeichen versehen). Die Source-Elektrode SR dient als Photodiode für Rot, die Source-Elektrode SG dient als Photodiode für Grün und die Photoelektrode SB dient als Photodiode für Blau. Lichtdurchlässige leitende Schichten 6/? und 6C sind auf den Isolierschichten 3' ausgebildet und überdecken die Photodiode vollständig oder teilweise. Die lichtdurchlässige leitende Schicht 6/? wird für Rot und die lichtdurchlässige leitende Schicht 6G wird für Grün verwendet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist für Blau keine leitende Schicht aus einem nachfolgend noch zu beschreibenden Grund vorgesehen. Die leitenden Schichten 6R und 6C werden mit einer Spannung (die beispielsweise Massepotential mit Null Voh sein kann) beaufschlagt, die über einen Anschluß 7 angelegt wird, wobei diese Schichten 6R und 6G auf der vorgegebenen Spannung festgehalten werden. Signalausgangsleitungen SR, SGund SB stehen mit den Drain-Elektroden AR. 4G bzw. 45 in Verbindung. Wenn Abtastimpulse an den Gate-Elektroden 2R, 2G und 2ß angelegt werden, werden die in den Dioden 5R₁SG und SB gespeicherten Ladungen als Signale, die die Lichtmenge wiedergeben, über die Signalausgangsleitungen SR, SG bzw. SB ausgegeben. Eine Feldisolier-Oxidschicht 9 isoliert die nebeneinander liegenden photoelektristhcn Elemente voneinander.

Die Bildaufnahmeeinrichtungen mit dem zuvor beschriebenen Aufbau kann in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß zusätzlich zum an sich bekannten MOS-Fertiguijgsvorgang weitere Schritte zu· Ausbildung der Leiterschichten vorgenommen werden. Fig. IB zeigt die photoelektrischen Elemente in Aufsicht, deren Querschnitte in Fig. 1Λ durgestellt sind. Fig. IB gibt die Anordnungen der Pbotodioden 10/?, IOC und I0Ö und der Leiterschichten 11R und 11 G wieder. Fig. IC ieigt die allgemeine Anordnung und Ausbildung der Bildaufnahmeeinrichtung in Aufsicht. Die die Bildaufnahmeeinrichtung bildenden Einheiten, die jeweils aus den in den Fig. IA und 1B dargestellten Bereiche R, G und Bbestehen, sind in zwei-dimensionaler Anordnung in der X- und der V-Richtung angeordnet. Da die Photodioden durch die dicken Isolierschichten 9 voneinander isoliert sind, brauchen die die Photodioden überdeckenden Leiterschichten 6R und 6G hinsichtlich der jeweiligen Dioden nicht isoliert

zu sein; sie müssen jedoch in Streifen zusammengefaßt sein. Darüberhinaus sind die in Streifenform angeordneten Leiterschichten miteinander verbunden, und ein Ende einer solchen integralen Leiterschicht dient als Anschluß 7 zum Anlegen der Spannung. -,

Die photoelektrischen Elemente sollen nachfolgend beschrieben werden. DieSource-Elektroden5Ä,5Gund 5ß legen die Dioden mit einem Halbleiterübergang zwischen sich und dem Substrat fest. Die jeweiligen Dioden für Rot, Grün und Blau besitzen Übergangska- m pazitätcn und Q«, Q₁, und C/ß. Diese Kapazitäten weisen gleiche Kondensatorwerte C)

(Ok=(T'/,, = CiH=Cj) auf, weil die Übergangsflüchen, d.h. die in Fig. IB dargestellten Layout-Musterbereiehe der jeweiligen Dioden einander gleich sind. Da die ι-, l.eilcrschichten 6/? und 6C fest auf einer vorgegebenen Spannung gehalten werden, liegen diese Leiterschichten /wischen sich und den Source-Elektroden 5R bzw. 5(7 Isolierschicht-Kapazitäten Cm lest, wobei die Leiterschicht 6/? für Rot eine Kapazität C,,\r und die jn Leiterschicht 6G für Grün eine Kapazität G>u,- besitzt. Die jeweiligen Kapazitäten G>\» und Gm, sind durch die Dicke d,,\ und die dielektrische Konstante ε,η der Isolierschichten und die Überlappungsflächen 5« (für Rut) und .Sr, (für Grün) zwischen den Leiterschichten i-, und den Dioden festgelegt und durch folgende Gleichungen gegeben:

(I)

(■ I)Mi —

'IM '

Cl

Die Gesamtkapazität jedes photoelektrischen Elementes ist dann die Summe aus der Übergangs-Kapazit.it C) und der Isolierschicht-Kapazität G>\. Die Kapazitäten Cw. G; und Cn der jeweiligen photoelektrischen Elemente für Rot. Grün bzw. Blau sind durch »n folgende Gleichung gegeben:

Cr-C OXR + ( J '· C₁, = Com, + Cj:
C_H = Cj.

13)
(4)
(5)

Die (Halbleiter-)-Übergangskapazität C/ ist normalerweise kleiner als die Isolierschicht-Kapazität Gn. ">< obwohl sie auch von der Fremdatomkonzentration des verwendeten Substrats abhängt. Wenn das Halbleitersubstrat eine Fremdatomkonzentration von lO'Vcm³ und die Isolierschicht eine Dicke von dox= 100 nm aufweist, wie dies beim MOS-Fertigungsvorgang üblich >= ist, ist die Übergangskapazität C\ Ua der Isolierschicht-Kapazität Cav. vorausgesetzt, daß die Leiterschicht 6 über die gesamte Fläche der Photodiode ausgebildet ist, d. h., daß die Isolierschicht-Kapazität Cox den Wert Coxr hat. Wenn die Überlappungsfläche für Grün halb w so groß wie die Überlappungsfläche für Rot ist wie dies in den Fig. IB und IC dargestellt ist, wird das Kapazitätsverhältnis zwischen den elektrischen Elementen Cr : Ca ·■ Cb = 5:3:1. Dieses Verhältnis ist gleich dem Verhältnis zwischen der Lichtempfindlich- t-^: keit der photoelektnschen Elemente für Rot Grün und Blau, die bei Verwendung von Silicium als Substrat ausgebildet werden. Infolgedessen füllen die Lichtmengen die Speicherkapazitäten der photoelektrischen Elemente für die jeweiligen Farben in gleichem Maße bei allen drei Elementen für Rot, Grün und Blau in gleicher Weise auf. Auf diese Weise kann vermieden werden, daß der Rauschabstand klein ist, was auf die Tatsache zurückzuführen war, daß die Ladungsmenge bezüglich der Speicherkapazität zu klein war. Weiterhin ist es dadurch möglich, eine Verringerung des Auflösungsvermögens auf Grund dessen, daß die Speicherkapazität bezüglich der gesamten erzeugten l.adungsmengen und des dadurch auftretenden LadungsüberfHeßens in die Umgebung verhindert wird. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, daß die .Systemausbildung der Kamera sehr einfach wird.

Die Tatsache, ob die zuvor beschriebene Leiterschicht eine lichtdurchlässige Leiterschicht aus SnO.>. In.iOi oder dgl. ist, oder ob eine teillichtdurchlässige Schicht, die aus einer dünnen Metallschicht aus Au. Al, Cr oder dgl. besteht, verwendet wird, beeinflußt die Größe der Kapazität. Wenn ein infrarote Strahlung absorbierendes Material verwendet wird, kann die Leiterschicht auch als Filter für die Infrarotstrahlungsabsorption dienen, da Infrarotstrahlung für die Farbbildaufnahme nicht erforderlich ist und das Auflösungsvermögen verschlechtert, wie dies zuvor bereits erwähnt wurde Wenn das bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen häufig verwendete polykristalline Silicium als Material für die Leiterschicht verwendet wird, treten bei der Fertigung keine Schwierigkeiten auf, da dieses Material mit der integrierten MOS-Schaltung verträglich ist. Darüberhinaus absorbiert polykristallines Silicium infrarote Stahlung, so daß die Leiterschicht auch als Infrarotfilter dient. Die Absorptionsmenge, die vom Filter absorbiert wird, kann durch Wahl der Schichtdicke des polykristallinen Siliciums auf einen geeigneten bzw. gewünschten Wert eingestellt werden. Da die auf Grund der Infrarotstrahlung in der Schicht erzeugten Ladungen normalerweise durch die angelegte Spannung kompensiert werden, bleibt die Leiterschicht spannungsmäßig immer auf der angelegten Spannung festgehalten und es treten dadurch keine

Um die Erläuterungen zu vereinfachen, wurde das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel anhand des einfachsten Aufbaus erläutert, nämlich anhand des Ausführungsbeispiels, bei dem die photoelektrischen Elemente für Rot, Grün und Blau in Streifenform angeordnet sind. Auch die an sich bekannte schachbrettartige Anordnung kommt jedoch in Betracht. In diesem Falle kann das gleiche Verfahren bei den photoe'°ktrischen Elementen für die jeweiligen Farben angewandt werden. Bei dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel wurden drei Primärfarben als Farbkomponenten beschrieben, die vom optischen Filter getrennt wurden. Es ist jedoch auch möglich, Komplementärfarben (Cyan, Magenta und Gelb) als die drei Primärfarben zu verwenden. In diesem Falle kann Cyan statt Blau, Magenta statt Grün und Gelb statt Rot verwendet werden. Diese Abwandlungen sind in gleicher Weise auch bei den Ausführungsbeispielen 2 bis 6 durchführbar, wie dies im weiteren noch erläutert werden wird.

Anhand der F i g. 1D bis IH soll nachfolgend der Fertigungsvorgang einer Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung mit dem obigen Aufbau beschrieben werden. Bei diesem Fertigungsverfahren wird das sogenannte LOCOS- (local oxidation of silicon)-Verfahren verwendet, mit dem eine besonders hohe Integrationsdichte bei den Herstellungstechniken von MOS-Transistoren

erzielt werden kann. Der Übersichtlichkeit halber werden die Fertigungsschritte nur für das photoelektrische Element für rotes Licht dargestellt und beschrieben.

(i) Eine erste Oxidschicht 9 wird durch das LOCOS-Verfahren auf einem Substrat 1 ausgebildet (Fig. ID).

(ii) Durch thermische Oxidation wird für die Gate-Elektrode 3 eine Oxidschicht und beispielsweise durch das CVD-(chemical vapor deposition)-Verfahren bzw. das chemische Gasphascnabscheidungsverfahren wird auf die Oxidschicht cine polycristalline Siliciumschicht 2 für die Gate-Elektrode aufgebracht. Danach wird clic polycristalline Siliciumschicht mit Ausnahme des der Gate-Zone entsprechenden Bereiches durch Photoätzen entfernt, und die Gate-Oxidschicht außerhalb der Gate-Elektrode wird unter Verwendung der sich zuvor ergebenden Gate-Elektrode als Maske durch Ätzen entfernt (Ti g. t E).

(iii) Die Drain-Elektrode 4 und die Source-Elektrodc 5 (Photodiode) wird durch Eindiffundieren von Eremdatomen des dem Substrat entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch thermische Diffusion gebildet. Die fremdatomc diffundieren gleichzeitig in die polykristalline Siliciumschicht der Gate-Elektrode und verbessern die Leitfähigkeit dieser polykristallinen Siliciumschicht. Danach wird eine zweite Oxidschicht 3' über die gesamte Oberfläche hinweg ausgebildet (F i g. 1 F).

(iv) Auf die zweite Oxidschicht wird beispielsweise durch Aufdampfen eine beispielsweise :500 bis 1000 nm dicke SnO)- oder In.'Os-Schicht. eine beispielsweise 200 bis 500 nm dicke polykristalline Siliciumschicht oder eine beispielsweise 30 bis 300 nm dicke Metall-Dünnschicht aufgebracht. Danach wird die Schicht oder das Material so entfernt, daß die über der Photodiode liegenden Bereiche verbleiben, so daß dadurch eine Elektrode 6 gebildet wird, die die Oxidschicht-Kapazität G)A ermöglicht. Wenn für die Elektrode polykristallines Silicium wie in diesem Falle verwendet wird, sollte das polykristalline Silicium mit Fremdatomen dotiert werden, deren Leitfähigkeitstyp dem Leitfähigkeitstyp

UCb 3uuMiai> ClllgCgCllgCbClil IM. WUUCI UICbC DuilC-

rung durch ein Diffusionsverfahren oder ein lonenimplantationsverfahren durchgeführt wird, um die Leitfähigkeit des Materials zu erhöhen (F ig. IG).

(v) Die über der Drain-Elektrode liegenden zweiten Oxidschichten werden durch Photoätzen entfernt, und über die gesamte Oberfläche hinweg wird durch Aufdampfen eine Al-Schicht aufgebracht. Danach wird das Al mit Ausnahme eines Leiterbereichs 8 für den Signalausgang durch Photoätzen entfernt. Nun ist die Einrichtung fertiggestellt (Fig. IH). Die Abtastschaltungen, die bezüglich der photoelektrischen Elemente am Rand angeordnet sind, werden ebenfalls mit den in den F i g. 1D bis IH dargestellten Verfahrensschritten hergestellt, obgleich dies in den Zeichnungen nicht dargestellt ist.

Zur Herstellung des photoelektrischen Elements G für grünes Licht kann eine im zuvor beschriebenen Fertigungsschritt (iv) vorgesehene, an sich bekannte Ätzbehandlung durchgeführt werden, so daß eine Elektrode mit einer vorgegebenen Fläche gebildet wird. Zur Herstellung des photoelektrischen Elements B für Blau kann eine Ätzbehandlung durchgeführt werden, urn die in den jeweiligen Elcrnentbcreichen ausgebildete Leiterschicht vollständig zu entfernen.

Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform sind die Flächen der Leiterschicht, die zur Vergrößerung der Speicherkapazitäten ausgebildet sind, für alle photoelektrischen Elemente für Rot, Grün und Blau gleich, wogegen die Dicken der Isolierschichten, die unter den Leiterschichten liegen, für die einzelnen Elemente für die jeweiligen Primärfarben unterschiedlich sind. Die jeweiligen Dicken der Isolierschichten 12/?. 12G und 120 sind in Abhängigkeit von den Lichtfarben der photoelektrischen Elemente unterschiedlich. Über der isolierenden Oxidschicht 12 ist eine Leiterschicht 13 mit lichtpermeablen Eigenschaften (lichtdurchlässig bzw. halblichtdtirchlassig) ausgebildet. Die übrigen Bezugs zeichen entsprechen denen von Fig. I.

Hier soll ein Beispiel gegeben werden, bei dem die Speicherkapazitäten der photoelektrischen Elemente für die jeweiligen Primärfarben proportional der Lichtempfindlichkeiten der jeweiligen Elemente gemacht werden. Wenn eine Siliciumoxid-(SiO;)-Schicht als Isolierschicht verwendet wird, und wenn die Oxidschicht 12Ö für das Element tür Blau 500 nm dick ist, so ergibt sich aus den Gleichungen (3), (4) und (5), daß die Dicke der Oxidschicht 12Cfürdas Element für Grün 160 nm und die Dicke der Oxidschicht 12/? für das Element für Rot 100 nm beträgt. Normalerweise wird eine Siliciumoxid-(SiO2)-Schicht als Isolierschicht verwendet. Die Fertigungsgenauigkeit von S1O2 ist unter den MOS-Fertigungsverfahren die höchste und eine Abweichung der Schichtdicke liegt in der Größenordnung von 2 nm. Auch wenn die Schicht nur 100 nm dick ist, beträgt die Abweichung nur 2%, und das Verhältnis der Speicherkapazitäten kann sehr genau eingestellt bzw. festgelegt und bei der Herstellung gesteuert werden. Wenn eine noch größere Genauigkeit gewünscht wird, können die Oxidschichten dicker ausgebildet werden; beispielsweise können dann Dicken von 1000 nm für Blau, 330 nm für Grün und 180 nm für Rot gewählt werden.

Bei dem in F i g. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein teillichtdurchlässiges Material für die über dem Photodiodenbereich ausgebildete Leiterschicht verwendet, und die Dicke der teildurchlässigen Leiterschichter. ist für die jeweiligen photoelektrischen Elemente für

I\CU, VJl Uli UIlU UldU UIIICI bllllCUlllll, SU UdU UUb

Verhältnis der Lichtmengen, die schließlich bis zu den Photodioden hindurchgehen und in die Elemente eindringen, für die jeweiligen Farben unterschiedlich sind. Teillichtdurchiässige Leiterschichten 14/?. 14Cund 145 sind auch den Isolierschichten 3' ausgebildet und überdecken die gesamten Bereiche der Photodioden für Rot, Grün bzw. Blau. Diese Leiterschichten 14/?. 14G und 14S sind in dieser Reihenfolge jeweils immer d'i.nner ausgebildet. Auf diese Weise ist es möglich, daß die Leiterschicht 14/? die größte Lichtmenge absorbiert. so daß auf die Photodiode 5/? für Rot, die die höchste Lichtempfindlichkeit besitzt, die kleinste Lichtmenge auftrifft. Umgekehrt trifft dann auf die Photodiode 5ß für Blau, die die geringste Lichtempfindlichkeit besitzt, die größte Lichtmenge auf. Infolgedessen können die in den jeweiligen Photodioden für Rot, Grün und Blau erzeugten Ladungen innerhalb einer Teilbildperiode einander gleichgemacht werden.

Nachfolgend soll ein Beispiel für den Fall angegeben werden, bei dem das für die Herstellung einer integrierten MOS-Schaltung geeignete polykristalline Silicium für die teillichtdurchlässige Leiterschicht verwendet wird. Da der Absorptäonskoeffizient für Rot (660nm) 4XlO³Cm-¹, für Grün (550nm) 6xl0³cm-' und für Blau (450 nm) 2 χ 10⁴ cm -' ist (vgl. W. C. Dash et al. Physical Review 99,1151 (1955)) kann die Schicht für

Rot 500 nm, für Grün 330 mn und für Blau 100 nm dick sein.

Bei der in F i g. 4 gezeigten Aiisführiingsform ist die Leiterschicht 16fl für das photoelektrische Element für Blau, welches die geringste Lichtempfindlichkeit aufweist, aus einem lichtdurchlässigen Film irgendeiner gewünschten Dicke unter Verwendung beispielsweise von Zinnoxid hergestellt. Da die Zinnoxidschicht praktisch vollständig lichtdurchlässig ist, kann die Schichtdicke je nach Wunsch gewählt werden. Für die Elemente für Rot und Grün, die relativ hohe l.ichteinpfmdlichkeiien aiifweisfn, werden wie bei dem Ai'sfiihrungsbeispiel nach l·'i g. J. tcillichtdiirchlässigc I .culm schuhten \^!il( bzw. 15 C/ verwendet. Die Schicht I5G weist eine elu.i b()"/uige Dicke in bezug auf die Dicke der im dritten Ausfühningsbeispiel verwendeten Schicht 15«auf.

Beispielsweise wird als Schicht Ι5Λ ein 4000 nm dickes Polvsilicium und als Schicht 156' 2000 nm dickes Polysilicium verwendet.

Bei den zuvor beschriebenen Ausfiihrungsbcispiclen wird ein MOS-Transistor zur Weiterleitung oder Alisleitung der Signalladungen verwendet. Es ist jedoch auch möglich, eine I.adungsweiterleitiings-Einrichtung, beispielsweise ein CTD (!lenient bzw. ein l.adungsverschiebe-Element zu verwenden, das ebenfalls mit dem Verfahren zur Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen hergestellt werden kann. Die F i g. 5 und 6 zeigen ein Ausfühningsbeispiel, bei dem die Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung in Verbindung mit einem ladungsgekoppelten Speicher (mit einer sogenannten CCD-Einrichtung) gemäß dem Zeilenadressensystem verwendet wird (M. F. Tompseti et al., »Charge-coupling improves its image, Chall enging video camera tubes.» Electronics Jan. 18, Seiten 162 bis 160, 1973). In den F i g. 5 und 6 ist wie in Fig. I bis 4 das optische Filter weggelassen. Wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsformen werden mit den Buchstaben R, C und ßdie photoelektrischen Elemente für Rot, Grün und Blau bezeichnet, die in regelmäßiger Form angeordnet sind. Die Photodioden sind mit den Bezugszeichen 17R, 17Gund 17S versehen. Übor eine schaltende Gate-Elektrode 18 werden die in der Photodiode gespeicherten Lichtsignalladungen einer das Signal weiterleitenden Elektrode 19 eines ladungsgekoppelten Speichers zugeleitet. Zwischen den Elektroden 18, 19 und dem Substrat 1 liegt eine isolierende Oxidschicht 20, und zwischen den Elektroden 18 und 19 liegt eine isolierende Oxidschicht 21. Diese beiden Ausführungsbeispiele entsprechen den anderen zuvor bereits beschriebenen Ausführungsformen insofern, als die Ladungen in den Photodioden proportional zu den auf die Photodioden auitrcffcndcn Lichtmengen erzeugt und gespeichert werden.

Die beiden Ausführungsbeispiele gemäß F i g. 5 und 6 unterscheiden sich jedoch insofern von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, als die gespeicherten Ladungen nicht über einen Leiter, sondern mittels des an sich bekannten ladungsgekoppelten Speicher bzw. ladungsgekoppelten Systems in einem Halbleiter nacheinander von einer Potentialsenke zur nächsten Potentialsenke übertragen werden, indem eine mehrphasige Impulsspannung verwendet wird, die mit den Tastimpulsen synchronisiert wird, welche auf die in großer Zahl entlang der senkrecht zur Zeichnung angeordneten Ladungsverschiebewegen angeordnet sind, angelegt werden, und die eine hohe Frequenz besitzt.

Bei dem in F i g. 5 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel sind isolierende Oxidschichten 22R, 22G und 22ß aus SiO₂ oder einem entsprechenden Material für die Elemente für Rot, Grün bzw. Blau dargestellt, wobei diese Schichten in der angegebenen Reihenfolge jeweils dicker sind. Die Lichtpcrmeablen Leiterschichten (beispielsweise SnOi-Schichten) 23 sind gleich dick. Bei dem vorliegenden Ausführiingsbeispiel sind die Oxidschicht-Kapazitäten Cf)\, die den Ubergangskapazitäten Ci zuaddiert werden sollen, wie beim zweiten Ausführungsbeispiel für die jeweiligen Farben unterschiedlich gewählt, so daß die Kapazitäten G;. G. und C'/ider jeweiligen photoempfindlichen Elemente für Rot, Grün und Blau der Lichtempfindlichkeit des Elementes für die \vv. ι ihgen l.ichtfarben entsprechen. Die Oxid-iSiO.-J-Schichten 22K₁ 22C, und 22» komm also 100 nm. 160 nm bzw. 500 nm dick sein.

Bei dem in !'ig. 6 dargestellten Ausfühningsbeispiel sind die tcillichtdurchliissigen Leiterschichten wie beim dritten Ausführiingsbeispiel für die jeweiligen Farben unterschiedlich dick gewählt, und das Verhältnis der tatsächlich auf die Photodioden auftrelleiideii und in die Photodioden eindringenden Lichtmengen ist bei den photoelektrischen Elementen jeweils unterschiedlich, so daß dadurch die für die jeweiligen Farben unterschiedliche Quantenausbeute in den Photodioden kompensiert wird. Die Leiterschichten 25/?, 25G und 25ß für Rot, Grün und Blau, die über den isolierenden Oxidschichten 24 aus SiOj oder einem ähnlichen Material ausgebildet sind, und bei denen tcillichtdurchlässiges polykristallines Silicium verwendet wird, sind wie beim dritten Ausführungsbeispiel daher 500 nm, 330 nm bzw. 100 nm dick. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen können mit Fertigungsschritten gefertigt werden, die den Fertigungsschritten der obigen Ausführungsbeispiele entsprechen.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Photodiode für die photoelektrische Wandlung verwendet. Anstelle der Photodiode kann die Tatsache ausgenutzt werden, daß Ladungen durch einfallendes Licht in einer Verarmungsschicht induziert werden, die auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist. Mg. / zeigt einen (^uerscnnitt durch eine Ausiu'nrungsform, bei der diese Maßnahme vorgesehen ist. In Fig. 7 ist wieder das optische Filter weggelassen. Auf dem Halbleitersubstrat 1 befindet sich eine lichtpermeable Leiterschicht 26, die vom Halbleitersubstrat 1 durch eine isolierende Oxidschicht 27 aus SiOi oder dgl. isoliert ist. Wenn eine Spannung (die normalerweise bei der Größenordnung von 5 bis 10 Volt liegen kann) größer als die Schwellwertspannung eines MOS-Transistors ist, an die Leiterschicht 26 angelegt wird, wird in der Oberfläche des Siiicium-Halbleitersubstrats leine einige Mikrometer dicke Verarmungsschicht 28 gebildet. Eine lichtpermeable Gate-Elektrode 30 ist auf der lichtpermeab'en Leiterschicht 26 ausgebildet und von dieser durch eine isolierende Oxidschicht 29 aus SiOj oder dgl. isoliert. Die lichtpermeable Gate-Elektrode führt die in der Verarmungszone 28 während einer Teilbildperiode erzeugten Lichtsignalladungen auf Grund eines Abtastimpulses an eine Drain-Elektrode 31, die mit einer Signalausgangsleitung 32 in Verbindung steht. Eine isolierende Oxidschicht 33 aus SiO₂ oder dgl. isoliert die Gate-Elektrode 30 gegenüber der Signalaus^rrangsleitung32.

Neben der Funktion als Ladungsübertragung dient die Gate-Elektrode 30 gleichzeitig dazu, die Lichtmengen, die auf die photoelektrischen Wandlerber?iche für

Rot, Gitin und Blau auftreffen, einzustellen, so daß die in den photoelektrischen Elementen für die jeweiligen Farben während einer Teilbildperiode zu erzeugenden jesamtladungsmengen gleich sind. Die Gate-Elektrode 30/? für Rot überdeckt den gesamten Bereich der > Verarmungsschicht 28, die Gate-Elektrode 30C für Grün bedeckt einen Teil der Verarmungsschicht 28 und die Gatc-Elcktrode 30ß für Blau liegt nur in einem Bereich, der für die Gate-Elektrodenwirkung erforderlich ist und überhaupt nicht über der Verarmungsschicht 28. Das Flachenverhältnis der Verarmungsschicht-Beri'iche,die von den Gate-FIektroden 30 bedeckt werden, ändert sich in Abhängigkeit von der Dicke und dem Material der darunterliegenden liehipemieablen Leiter schichien 2h. Di .",es llächenvcrhältnis kann so gewählt '·'■ oder eingestellt weiden, du 1.1 die über die beiden Arten von lichtpermeablen Leiterschichten 30 und 26 in die Verarmungsschichten 28 eindringenden Lichtmengen umgekehrt proportional zu den Farb-Photoempfindlichkeiten der photoclektrischen Elemente R. C und B für die jeweiligen Farben ist.

Der Aufbau bei dem vorliegenden Ausfüliru-.igsbeispiel kann dadurch geschaffen werden, daß die Reihenfolge, in der die Gate-Elektroden und die lichtpermeablen Leiterschichten bei dem Herstellungsvorgang des ersten Ausführungsbeispiels umgekehrt werden. Der Aufbau beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann auf einfache Weise dadurch hergestellt werden, da 1.1 nach Ausbildung der lichtpenncablen l.eiterschichten 2b die isolierenden (Kidschk hten 24 darauf aufgebracht werden, v.obei die ( l.ite -I.lekt! nden K) vorher ausgebildet « urdeii.

lliei/u (ι lilalt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fesikörper-Farbbildaufnahmeeinrichtung mit mehreren Gruppen von in einem Hauptoberflächenbereich eines Silizium-Halbleiterkörpers angeordneten fotoelektrischen Elementen, deren jedes einer durch ein optisches Filter abgetrennten Farbkomponente zugeordnet ist, wobei in den einzelnen fotoelektrischen Elementen die durch Belichtung erzeugte Ladung jeweils in einer Sperrschichtkapazität oder einer Verarmungsschicht speicherbar und über eine Schalteinrichtung bei Anlegen eines Steuersignals auslesbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes fotoelektrische Element (R, G, B) einen IG-FET umfaßt, dessen Source- oder Drain-Zone (5; 17; 28) zur Speicherung der Ladung dient und mit einer mindestens teilweise lichtdurchlässigen Isolierschicht (3'; 12; 20, 22; 24; 27) bedeckt sowie einer mindestens teilweise lichtdurchlässigen Elektrode (6; Ii; 14; 15; 23; 25; 26) versehen ist, und daß die Unterschiede in der Lichtempfindlichkeit für die einzelnen Farben durch die Größe der von der Source- bzw. Drain-Zone, der Isolierschicht und der Elektrode gebildeten Kapazität (Cox) und/oder durch die Lichtdurchlässigkeit der Isolierschicht und/oder der Elektrode kompensierbar sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige Elektrode (6R) des photoelektrischen Elements (R)- für das rote Licht die zugehörige Ladungsspeicherzone (5R) vollständig abdeckt, die lichtdurchlässige Elektrode (6R) des photoelektrischen Elements (G) für das grüne Licht die zugehörige Ladungsspeicherzone (5G) teilweise bedeckt und die lichtdurchlässige Elektrode (60, 22B) des photoelektrischen Elementes (B)(Ut das blaue Licht weggelassen ist (Fi g. 1).

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige Isolierschicht (12/?; 22R) des photoelektrischen Elements (R) für das rote Licht dünner ist als die lichtdurchlässige Isolierschicht (12C; 22GJ des photoelektrischen Elements (G) für das grüne Licht, die ihrerseits dünner ist als die lichtdurchlässige Isolierschicht (120; 22ß,l des photoelektrischen Elements (B) für das blaue Licht (F ig. 2; 5).

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige Elektrode (14/?; 15/?; 25R) des photoclektrischen Elements (R) für das rote Licht dicker ist als die lichtdurchlässige Elektrode (14G; 156'; 25G) des photoelektrischen Elements (G) für das grüne Licht, die ihrerseits dicker ist als die lichtdurchlässige Elektrode (14ß; 150; 250;dcs photoelektrischen Elements f/tyfürdas blaue Licht (F ig. 3; 4; 6).

5. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode (3OW^cIeS IG-FETs in dem phoioclektrischcn Element (R) für das rote Licht lichtdurchlässig ist und die zugehörige l.adungsspcichcrzone (28) vollständig überdeckt, die Gate-Elektrode (30G; des IG-FETs in dem photoclektrischen Element (G) für das grüne Licht lichtdurchlässig ist und die zugehörige Ladungsspeicherzone (28) teilweise bedeckt und die Gate-Elektrode (300; des IG-FETs in dem photoelektrischen Element (O;für das blaue Licht die zugehörige Ladungsspeicher/one (28) nicht bedeckt (F i g. 7).

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der lichtdurchlässigen Elektroden (6; 13; 14; 15; 23; 25; 26) aus Zinnoxid, Indiumoxid, Titanoxid, polykristallinem Silicium, Aluminium, Platin, Palladium, Molybdän, Indium, Chrom und/oder Gold besteht.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis ö, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe aus drei photoelektrischen Elementen (R, G, B) jeweils für die Komplementärfarben der Primärfarben, nä.nlich Cyan, Magenta und Gelb, besteht.