DE2804466A1

DE2804466A1 - Festkoerper-aufnahmeeinrichtung

Info

Publication number: DE2804466A1
Application number: DE19782804466
Authority: DE
Inventors: Norio Koike; Masaharu Kubo; Iwao Takemoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-02-04
Filing date: 1978-02-02
Publication date: 1978-08-10
Also published as: JPS5730349B2; DE2804466B2; NL7801284A; JPS5396720A; FR2379914A1; US4148051A; FR2379914B1; DE2804466C3; GB1594185A

Description

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Beschreibung

D₁Ie Erfindung betrifft eine Festkörper-Aufnahmeeinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Eine herkömmliche Festkörper-Aufnahmeeinrichtung ist als Beispiel in Fig. 1 dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer typischen flächenhaften Festkörper-Aufnahmeeinrichtung. Bei dieser Einrichtung bildet eine Photodiode 1 und ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor (nachfolgend kurz MOS-Transistor genannt) 2 ein Bildelement als eine Einheit. Der Bereich der Bildelemente wird mit einer Horizontal-Abtast- bzw. Abfrageschaltung (Horizontalabtaster) 9 und einer "Vertikal-Abtast- bzw. Abfrageschaltung (Vertikalabtaster) 10 abgefragt bzw. abgetastet oder ausgewählt, die aus Schieberegistern mit MOS-Transistoren bestehen. Die MOS-Transistoren 3 und die MOS-Transistoren 2 werden jeweils in den leitenden Zustand versetzt und nacheinander abgetastet bzw. abgefragt. Bei diesem Abtast- bzw. Abfragevorgang werden die Ladungen, die durah das einfallende Licht erzeugt, und in den Photodioden 1 gespeichert wurden, über Signalleitungen 6 und 7 an einen Ausgang 8 geleitet, und die Videosignale, die die Bildelemente erzeugt haben, werden als elektrische Signale abgegeben. In Fig. 1 ist eine Video-Spannungsquelle mit dem Bezugszeichen 5 versehen. Aus verschiedenen Gründen sind mehrere Signalleitungen 7 und Ausgänge 8 vorgesehen (beispielsweise dann, wenn die Einrichtung in einer Farbfernsehkamera verwendet wird, sind die Bildelemente den jeweiligen Farben der drei Primärfarben zugeordnet, und es sind Signalausleseleitungen für die jeweiligen Primärfarben des Lichts vorgesehen).

Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch ein typisches Bildelement. Nachfolgend soll der einfachen Beschreibung halber angenommen werden, dass es sich um eine N-Kanal-Festkörper-

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Aufnahmeeinrichtung handelt, bei der die Signalladungen Elektronen sind. Die nachfolgenden Erläuterungen lassen sich jedoch auch auf P-Kanal-Einrichtungen lesen, indem lediglich die I/eitfähigkeit und die Polarität umgekehrt angegeben wird.

Die pn-Flächenphotodiode wird aus einem Siliciumsubstrat 11, das aus p-leitendem monokristallinem Silicium besteht und einer η-leitenden Diffusionsschicht 12 gebildet, die als Speicherzone für die Signalladungen dient. Die n-leitende Diffusionsschicht 12 dient gleichzeitig als Source-Elektrode und bildet zusammen mit einer beispielsweise aus polykristallinem Silicium bestehenden Gate-Elektrode 13, einer Siliciumdioxid-(SiC^-Schicht 16, die unter der Gstte-Elektrode 13 dünn ausgebildet ist und einer als Drain-Elektrode dienenden η-leitenden diffundierten Schicht 14 einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor (MOS-Transistor), der als Signalladungsnachweis- bzw. Ausleseeinrichtung dient. Die η-leitende, diffundierte Schicht 14 ist normalerweise mit einer Metallelektrode 17» beispielsweise einer Aluminiumelektrode versehen, um den elektrischen Widerstand dieser Schicht zu verringern, und die Elektrode 17 wird in Fig. 1 als Signalleitung 6 benutzt. Die üiOp-Schicht 16 wird üblicherweise ausserhalb des Bildelementes dicker ausgebildet, um zu verhindern, dass ungewollte und störende Streukapazitäten entstehen.

Bei Einfall des Lichtes 15 werden Elektronen-Löcher-Paare in der η-leitenden diffundierten Schicht 12 und dem Siliciumsubstrat 11 gebildet. Die Elektronen der Elektronen-Löcher-Paare fliessen als Signalladungen in die n-leitende diffundierte Schicht 12 und werden in der pn-Übergangs-Kapazität zwischen der η-leitenden diffundierten Schicht 12 und dem Siliciumsubstrat 11 gespeichert. Der Horizontal-Schal t-MOS-Transi stör 3 wird durch einen positiven Abfragebzw. Abtastimpuls vom Horizontal-Abtaster 9 in den leitenden Zustand versetzt,und da die Signalleitung 6 dann mit

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dem Horizontal-Abtaster 9 verbunden ist, und über die mit dem Transistor 3 verbundene Signalleitung 6 wird eine von der Video-Spannungsquelle 5 bereitgestellte Videospannung an die Drain-Elektroden der MOS-Transistoren 2 gelegt, die mit der Signalleitung 6 verbunden sind. Wenn ein positiver Abfrageimpuls vom Vertikalabtaster 10 gleichzeitig an die Gate-Elektrode 13 der MOS-Transistoren 2 angelegt wird, werden die Signalladungen (Elektronen) von der η-leitenden diffundierten Schicht (der Drain-Elektrode) 14 an und zu ihr hingezogen, die auf einer positiven Spannung gehalten wird. ^ Die Signalladungen werden dann über die Drain-Elektrode 17 an den Ausgang 8 abgegeben.

Die Spannung der η-leitenden diffundierten Schicht 12 wird daher folgerichtig positiv und fällt ab, weil die pn-Übergangskapazität weiter durch das einfallende Licht 15 erzeugte Elektronen speichert, bis der nächste positive Abtastimpuls angelegt \tfird. Da die Menge der gespeicherten Elektronen der Lichtmenge in dem Bild eines Objektes entspricht, das auf die' pn-Flächenphotodioden der jeweiligen Bildelemente projeziert wird, kann das Videosignal durch den zuvor beschriebenen Vorgang erzeugt und abgegeben werden.

Eine derartige herkömmliche Festkörper-Aufnahmeeinrichtung, insbesondere die den wichtigsten Teil dieser Einrichtung bildende pn-Flächenphotodiode weist jedoch den Nachteil auf, dass die Empfindlichkeit gegenüber sichtbarem Licht, insbesondere gegenüber kurzwelligem Licht bei der Bildaufnahme gering ist. Trotz der Tatsache, dass die Kachfrage und damit die Anstrengungen zur Herstellung einer praktisch verwertbaren Festkörper-Aufnähmeeinrichtung sehr gross sind, konnte eine derartige Einrichtung bis jetzt noch nicht realisiert werden.

Die Lichtabsorptionsfähigkeit von Silicium hängt von der

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Wellenlänge ab. Lie Absorptionskennlinien für rotes Licht (mit einer Wellenlänge von 0,65 »m), füa? grünes Licht (mit einer Wellenlänge von 0,55 #m) und für blaues Licht (mit einer Wellenlänge von 0,4-5 um), die die drei Primär-Lichtfarben bilden, sind in Jig. 3 aufgetragen und mit den Buchstaben R, G bzw. B versehen. Das blaue Licht B erzeugt Elektronen-Löcher-Paare in der Nähe der Siliciuaioberflache, wogegen das Rotlicht R tief in das Siliciumeindringt und dort Elektronen-Löcher-Paare bildet. In der η-leitenden diffundierten Schicht in der Nähe der Oberfläche des Siliciums ist die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen-Löcher- Paare auf Grund der Rekombination verschwinden, gross, und die Lichtempfindlichkeit verringert sich entsprechend. Infolgedessen ist die pn-Flächenphotodiode bei Verwendung von Silicium für rotes Licht (also für Licht mit langer Wellenlänge) sehr empfindlich. Bei Untersuchungen und Messungen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass sogar dann, wenn die Tiefe der Übergangsfläche der pn-Flächenphotodiode kleiner als 0,8 nm gemacht wird, um die Empfindlichkeit bezüglich des blauen Lichtes zu verbessern*, die Blauempfindlichkeit geringer ist als die Rotempfindlichkeit.

Bei der Farbbildaufnahme treten daher schwerwiegende Probleme insofern auf, als die Farbtreue bei der Wiedergabe für blaues Licht äusserst schlecht und das Signal-Rausch-Verhältnis klein ist. Daher ist eine Farbbildaufnahme nicht möglich. Sogar auch bei einer Schwärz-Weiss-Aufnähme werden die blauen Teile eines vorliegenden Bildes geschwärzt bzw. schwärzer und die roten Teile einer Bildvorlage werden weisser, so dass das wiedergegebene Bild sich von dem Vorlagenbild stark unterscheidet. Diese Nachteile sind die wichtigsten Hinderungsgründe bei der Realisierung einer praktisch verwendbaren Festkörper-Aufnähmeeinrichtung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Festkörper-Aufnähmeeinrichtung zu schaffen, deren Empfind-

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lichkeit gegenüber sichtbarem Licht, insbesondere gegenüber blauem Licht wesentlich grosser ist, und mit der die Wiedergabetreue bei Färb- und Schwarz-Weiss-Bildaufnahraen stark verbessert werden kann.

Diese Aufgabe \-ilrd erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 8 angegebenen Merkmal lösen ebenfalls die gestellte Aufgabe.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die vorliegende Erfindung schafft also eine Festkörper-Aufnahmeeinrichtung mit Bildeleraenten, die auf einer Hauptfläche eines eine bestimmte Leitfähigkeit besitzenden Halbleitersubstrats ausgebildet sind. Jedes Bildelement besitzt wenigstens eine pn-Flächenphotödiode und in ihrer Nähe angeordnete PhotoSignalnachweis- bzw. Abfrageeinrichtungen. Die vorliegende Erfindung besteht insbesondere darin, dass wenigstens ein Pensterbereich in einer HaIbleiterzone (in der die Photosignalladungen speichernden Zone) vorgesehen ist, die die Photodiode bildet und von einem der Leitfähigkeit des HalbleiterSubstrats entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ist. Der Fensterbereich geht durch den Halbleiterbereich bis zur Oberfläche des HaIbleitersubstrats hindurch und ist Teil des Halbleitersubstrats. Die Ladungen, die durch das einfallende Licht in dem Fensterbereich erzeugt werden, hauptsächlich die Ladungen, die nahe der Substratoberflache durch das sichtbare Licht kleiner Wellenlänge, beispielsweise durch Blaulicht, erzeugt werden, gelangen um den um den Fensterbereich herum

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liegenden, die Photosignalladungen speichernden Bereich, so dass die Empfindlichkeit für blaues Licht erhöht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine scheciatische Darstellung des Aufbaus einer

üblichen Festkörper-Auinahmeeinrichtung, Fig. 2 einen Querschnitt durch den Aufbau eines Bildelementes in einer herkönämlichen Festkörper-Aufnahmeeinrichtung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die Absorptionskennlinien des Silicium für das Licht der drei Primärfarben wiedergibt,
Fig.4A einen Querschnitt, der die Struktur eines BiIdelementes in einer Festkörper-Aufnahraeeinrichtung gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung

wiedergibt,
Fig. ¹V-B das I'lächenmuster einer Photodiode in dem in Fig. 4-A dargestellten Bildeleaent,

Fig.5A einen Querschnitt, der den Aufbau eines Bildelementes in einer Festkörper-Aufnahmeeinrichtung gemäss einer

zweiten Ausführungsform der Erfindung v/i ed ergibt, Fig.5B das Flächenmuster einer Photodiode in dem in Fig. 5A dargestellten Bildelement,

Fig.6A einen Querschnitt, der die Struktur eines BiIdelementes in einer Festkörper-Aufnahmeeinrichtung geraäss einer dritten Ausführungsform der Erfindung wiedergibt,
Fig.öB das Flächenmuster einer Speicherelektrode in dem in Fig. 6A dargestellten Bildelement, Fig.7A einen Querschnitt, der die Struktur eines Bildelementes in einer Festkörper-Aufnahmeeinrichtung gemäss einer vierten Ausführungsform der Erfindung wiedergibt,

Fig.7B ein Flächenmuster der Speicherelektroden in dem in 35' Fig. 7A dargestellten Bildelement und

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Pig. 8A bis 8E eine Reihe von Querschnitten, die der Erläuterung der Struktur eines Bildelementes in einer Festkörper-Aufnahmeeinrichtung gemäss einer fünften Äusführungsform der vorliegenden Erfindung dienen und in der Reihenfolge der Herstellungsschritte dargestellt sind.

Die erfindungsgemässe Festkörper-Aufnähmeeinrichtung weist im Prinzip denselben Aufbau wie die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung auf. Das heisst, die vorliegende Erfindung übernimmt den Aufbau, bei dem eine grosse Anzahl an Bildelementen auf einem Halbleitersubstrat integriert ist, und Abtast- bzw. Abfrageschaltungen, die die (X, Y)-Koordinaten der Bildelemente zur Auswahl der Bildelemente und zum Abgreifen der Ausgangssignale auf demselben HaIbleitersubstrat integriert sind. Fig. 1 zeigt beispielsweise einen Flächensensor, bei dem die Bildelemente in zwei Dimensionen angeordnet sind. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung auch bei einem linearen Sensor angewendet werden, bei dem dann entweder der waagerechte Abtaster bzw. Abfrager oder der vertikale Abtaster bzw. Abfrager als Abtast- bzw. Abfrageschaltung ausreicht. In jedem Falle betrifft die vorliegende Erfindung Festkörper-Aufnahmeeinrichtungen und dient der Verbesserung der Struktur der Bildelemente bei herkömmlichen Festkörper-Aufnahmeeinrichtungen. Bei der erfindungsgemässen Festkörper-Aufnahmeeinrichtung werden also verschiedene Arten von Abfrageschaltungen und verschiedene Systeme zum Abgreifen bzw. Ableiten der Ausgangssignale von den Bildelementen verwendet. Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung wird beispielsweise die Signalleitung 6 durch Versetzen des MOS-FET-Transistors 3 in den leitenden ("ein") und nichtleitenden ("aus") Zustand ausgewählt, indem der Horizontal-Abtastimpuls an die Gate-Elektrode des horizontalen Schalt-MOS-Transistors 3 vom Horizontal-Abtaster 9 her angelegt wird. Manchmal wird jedoch auch der Vorgang so durchgeführt, um einen horizontalen Schalt-MOS-FET-Transistor in jedem

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Bildelement vorzusehen und diesen dann direkt mit der Signalleitung 6 und 7 zu verbinden. In einigen Fällen befindet sich ein vertikaler Schalt-MOS-FET-Transistor zwischen der vertikalen Abtastleitung 4 und dem vertikalen Abtaster 10.

Für die erfindungsgemässe Festkörper-Aufnahmeeinrichtung können als Abtastschaltungen 9 und 10 beispielsweise die Schaltung verwendet werden, die in der Druckschrift S. G. Chamberlain, "Photosensitivity and Scanning of Silicon Image Detector Arrays," IEEE Journal of Solid State Circuits, Band sc-4, Wr. 6, Dezember 1969, beschrieben ist.

Bei der folgenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen wire lediglich auf die Struktur des Bildelements Bezug genommen.

Beispiel 1

Die Fig. 4-A und 4B zeigen die bei der erfindungsgemässen Einrichtung wesentliche Struktur eines Bildelementes und die Struktur und das Flächeniauster eines Photodiode. Fig. 4-A zeigt ein p-leitendes Silicium (Si)-Substrat 18, eine Gate-Elektrode 19, die auf dem Siliciumsubstrat über einer isolierenden Oxidschicht 20 (normalerweise einer Siliciumdioxid (SiO₂)-Schicht) aufgebracht ist, Eine η-leitende, diffundierte Schicht 21, die als Speicherzone für die Signalladungen di.ent und zusammen mit dem Substrat 18 eine pn-Flächenphotodiode bildet, sowie eine diffundierte, η-leitende Schicht 21, die gleichzeitig als Source-Elektrode eines MOS-Transistors dient, wie dies anhand von Fig. 2 beschrieben wurde. Wie aus dem Flächenmuster von Fig. 4B dargestellt ist, besitzt die diffundierte n-leitende Schicht 21 eine Ausbildung derart, dass die diffundierte Schicht durch das Substrat teilweise "ausgeschnitten" ("hollowed out") ist. Ein Bereich 25 entspricht

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der in Fig. 4A gezeigten diffundierten η-leitenden Schicht 21 und ein Bereich 26 entspricht einen ausgeschnittenen Bereich (in Fig. 4A der Bereich 22), d. h. einem Fenster, in dem die diffundierte η-leitende Schicht nicht vorhanden ist. Mit dem Bezugszeichen 23 ist die Drain-Elektrode des MOS-Transistors bezeichnet, die in entsprechender Weise wie die Schicht 21 aus einer diffundierten n-leitenden Schicht besteht. Die diffundierte η-leitende Schicht 23 ist mit einer Signalleitung 24- verbunden, die aus einem Metall besteht (normalerweise wird dazu Aluminium (Al) verwendet).

"Wenn Licht 28 auf einen Photodioden-Bereich 27 fällt, so ist der Bereich, in dem die diffundierte η-leitende Schicht 21 liegt, gegenüber rotem Licht hoch empfindlich, jedoch gegenüber blauem Licht gering empfindlich, wie dies zuvor bereits erläutert wurde. Die Blauempfindlichkeit beträgt etwa nur 1/5 der Rotempfindlichkeit. In dem ausgeschnittenen Bereich 22, in dem die diffundierte η-leitende Schicht 21 nicht vorliegt, gelangen dagegen die-Ladungen 29» die in der Nähe der Substratoberfläche durch das blaue Licht auf Grund des grossen Absorptionskoeffizienten erzeugt werden, auf Grund des von der pn-Flächenphotodiode erzeugten elektrischen Feldes 30 ^zu der um das Fenster herum befindlichen, diffundierten η-leitenden Schicht 21.

Die Flächenform des ausgeschnittenen Bereichs oder des Fensters kann beliebig gewählt werden, beispielsweise kann diese Flächenform ein Kreis statt dem dargestellten Rechteck sein. Um die erzeugten Ladungen in der diffundierten η-leitenden Schicht wirkungsvoll zu absorbieren, ist es vorteilhaft, die Abmessung L des Fensters entsprechend der Diffusionslänge der Ladungen (im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Elektronen) zu wählen. Die Diffusionslänge im Siliciumsubstrat mit einer Donator-Konzentration

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von etwa 10 vein· , wie sie üblicherweise vorliegt, beträgt etwa 20 um. Daher kann die Abmessung des Fensters bei den heutigen Aufnahmeeinrichtungen, bei denen der Zwischenraum zwischen den Bildelementen etwa 50 Aim beträgt, etwa 40 ua 5 oder darunter betragen. In diesen Falle kann eine Quantenausbeute von praktisch 100 aj im Fensterbereich erzielt werden. Obgleich die untere Grenze der Abmessung für das Fenster in Abhängigkeit vom Verbesserungsgrad für die Empfindlichkeit von Blau festgelegt werden muss, so ist bei der heutigen Technologie zur Herstellung derartiger Einrichtungen diese Grenze 5yUm. Wenn die Verfahrenstechnologie in Zukunft jedoch Fortschritte macht, kann es jedoch auch möglich sein, diese untere Grenze zu etwa 1 um zu wählen, ter Grund, weshalb die isolierende Oxidschicht auf dem ausgeschnittenen Bereich 22, in dem die diffundierte η-leitende Schicht 21 nicht vorliegt, dicker ist als die isolierende Oxidschicht auf der diffundierten n-leitenden schicht 21, besteht darin, dass der dickere Bereich als Diffusionsraaske bei der Ausbildung der difi'undierten η-leitenden Schicht 21 benutzt wurde. Obgleich die dickere Schicht die Lichtabsorption sogar auch dann, wenn sie, so wie sie ist, beibehalten wird, kaum beeinflusst, kann die isolierende Oxidschicht auf dem Bereich 22 genau so dick wie die isolierende Oxidschicht auf der diffundiei'-ten η-leitenden Schicht 21 nach Ausbilden dieser Schicht gemacht werden. Die abgeflachte Ausbildung ist dann, wenn Farbfilter auf den jeweiligen Bildelementen ausgebildet werden, besser geeignet.

Beispiel 2

Was den zuvor beschriebenen ausgeschnittenen Bereich oder das Fenster betrifft, so können mehrere Bereiche in der diffundierten, η-leitenden Schicht untergebracht werden, wie dies in den Fig. 5A und 5B dargestellt ist. In Fig. 5A bildet eine diffundierte, η-leitende Schicht 3^ eine Photoliode. Ein Bereich 32 in Fig. 5B entspricht der diffundierten

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n-leitenden Schicht 31 in Fig. 5-A-. Die Bereiche 33 (die Bereiche 3^ in Fig· 5B) sind ausgeschnittene Bereiche oder Fenster, die in einer beliebigen Anzahl vorgesehen werden können. Auch wenn die Gesamtfläche der Fenster gleich der Fläche des einzigen, in den Fig. 4A und 4-B gezeigten Fensters ist und die auf die Fenster fallende Lichtmenge gleich der Lichtmenge bei dem zuvor beschriebenen Beispiel ist, kann bei der vorliegenden Struktur der Abstand, über den die erzeugten Ladungen bis zur diffundierten, η-leitenden Schicht laufen, die den Lichtsignalladungs-Speicherbereich darstellt, kürzer sein, und daher kann ein Zeitverlust beim Wandern der erzeugten Ladungen verhindert werden. Auf diese Weise kann die vorliegende Struktur die Blauempfindlichkeit noch höher als die in den Fig. 4-A und 4-B dargestellte Struktur machen.

Beispiel 3

Bei den zuvor beschriebenen Beispielen befand sich das Fenster in der diffundierten Schicht für die Diode in der pn-Flächenphotodiode. Es ist auch möglich, ein Fenster im photoempfindlichen Bereich eines Photosensors mit MOS-Struktur oder eines Photosensors nach Art eines ladungsgekoppelten Speichers bzw. eines CCD-Photo sensors vorzusehen, in dem die in einem vorgegebenen Bereich durch das Licht erzeugten Ladungen als eine Inversionsschicht innerhalb einer Verarmungsschicht gespeichert werden, die unter einer Speicherelektrode für die Signalladungen ausgebildet ist. Die Fig. 6A und 6B zeigen die Struktur und das Flächenmuster eines Bildelementes in der erfindungsgemässen Festkörper-Aufnahmeeinrichtung, bei der der Photosensor mit MOS-Struktur verwendet wird. Fig. 6A zeigt ein p-leitendes Siliciumsubstrat 18 und eine auf dem Siliciumsubstrat über einer isolierenden Oxidschicht 20 ausgebildete Gate-Elektrode 35- Eine Elektrode 36 speicher Signalladungen und der mittlere Teil 39 dieser Elektrode ist ausgeschnitten. Als Signalladungen speichernde Elektrode 36 wird üblicherweise

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eine polykristaliine Siliciumschicht verwendet, die elektrisch leitend und lichtdurchlässig ist (die Schichtdicke beträgt 3OOO & bis 4000 i). An die Elektrode 36 wird mit einer zdcht dargestellten Einrichtung eine vorgegebene Spannung angelegt, und unter der Elektrode bildet sich in der Halbleiteroberfläche eine Verarmungsschicht 37 aus, die für die Photo Signalladungen als Speicherzone dient. Die durch das auffallende Licht erzeugten Ladungen werden in einer Kapazität 38 gespeichert, die von der Elektrode 36 durch die Oxidschicht 20 hindurch gebildet wird. In Fig. 6B entspricht ein Bereich 40 der die PhotoSignalladungen speichernden Elektrode 36? und ein Bereich 41 entspricht dem ausgeschnittenen Bereich oder dem Fenster 39 der Elektrode 36.

Wenn Licht 28 auf einen Photodioden-Bereich 42 auffällt, so ist die Blauempfindlichkeit im Fensterbereich 39 auf Grund desselben Vorgangs,wie dies im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert wurde, hoch, und die erzeugten Ladungen 43 fliessen zum Verarmungsschicht-Bereich mit niederem Potential hin, der als Speicherbereich für die Photosignalladungen dient (der Ladungsfluss ist mit dem Pfeil 44 angedeutet). Wenn ein positiver Abfrage- bzw. Abtastimpuls mit einer Signalladungs-Detektoreinrichtung an die Gate-Elektrode 35 angelegt wird, werden die unter der Elektrode 36 gespeicherten Ladungen zu einer η-leitenden, diffundierten Schicht, die als Drain-Elektrode 23 dient, abgezogen und gelangen zu einer Ausgangsleitung 24.

Beispiel 4

Die Fig. 7A und 7B zeigen die Struktur und das Flächenmuster eines Bildelementes in der erfindungsgemässen Festkörper-Aufnahmeeinrichtung, bei der ladungsgekoppelte Speicher, abgekürzt CCDs,verwendet werden. Fig. 7 A zeigt ein p-leitendes Halbleitersubstrat 18 und Elektroden 45, 45' und 45", die über einer isolierenden Oxidschicht 20

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aufgebracht sind und der Speicherung von Photosignalladungen dienen. Bei dem in Fig. 7B dargestellten Flächenmuster der Elektroden 45, 45' und 45" entsprechen die Bereiche 46, 46' und 46" den Elektroden 45, 45' bzw. 45", und die Bereiche 47, 47' und 47" entsprechen den ausgeschnittenen Bereichen 48, 48' bzw. 48" (die in Fig. 7A dargestellt sind) der Elektroden 45, 45' bzw. 45".

Alle Elektroden 45, 45' und 45" weisen die ausgeschnittene Struktur auf. Es sei nun angenommen, dass die Elektroden 45' und 45" auf einer Spannung von Full Volt gehalten werden, und dass eine vorgegebene Spannung an die Elektrode 45 angelegt wird (die üblichen Verschiebeimpulse werden über die Signalleitungen 0s,, 0^ ^αη^ 0χ angelegt). Dann bildet sich eine Verarmungsschicht 4§ als Speicherzone für die Photosignalladungen unter der Elektrode 45 aus. Das auf das Bildelement 50 fallende Licht erzeugt Ladungen im Siliciumsubstrat 18, und die erzeugten Ladungen werden in der Verarmungszone 49 durch denselben Vorgang wie bei dem Ausführungsbeispiel 3 gespeichert. Wenn die Elektrode 45 dann die Spannung Null Volt aufweist und gleichzeitig die vorgegebene Spannung an die benachbarte Elektrode 45' angelegt wird, werden die in einer Elektrodenkapazität 5Ί gespeicherten Ladungen zu einer unter der nächsten Elektroder 45' gebildeten Verarmungszone verschoben. Danach werden die Ladungen entsprechend dem Ladungsverschiebevorgang des herkömmlichen ladungsgekoppelten Speichers nacheinander (in Eichtung des Pfeiles 70) verschoben bzw. übertragen und mit (nicht dargestellten) Signalladungs-Detektoreinrichtungen ausgelesen, die an der Endstufe der Aufnahmeeinrichtung vorgesehen sind.

Beispiel 5

Das Herstellungsverfahren für die Festkörper-Aufnahmeeinrichtung mit der erfindungsgemässen Struktur wird nachfol-

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gend anhand der Fig. 8A bis 8E beschrieben. Das sogenannte LOCOS-(IoCaI oxidation of silicon)-"Verfahren als Herstellungsverfahren führt von den Herstellungsverfahren für MOS-Transistoren zu einer besonders hohen Integrationsdichte. Die erfindungsgemässe Einrichtung ist jedoch nicht auf diese spezielle Herstellungsart beschränkt. Der Einfachheit halber werden die Herstellungsschritte lediglich des Bereichs des Bildelementes dargestellt.

(i) Eine erste Oxid-(SiO₂)-Schicht 200 und 201 wird mit dem LOCOS-Verfahren auf einem p-leitenden Siliciurasubstrat 18 (mit einer Akzeptor-Konzentration von IT ^ 10 -Veer) ausgebildet (vgl. Fig. 8A).

(ii) Eine Oxid-(SiO₂)-Schicht 202 für ein Gate wird durch thermische Oxidation ausgebracht und eine polykristalline SiIiciunschient 19 wird dann darüber als Gate-Elektrode, beispielsweise mit dem CVD-(chemical vapor deposition)-Verfahren, also durch chemische Dampfabscheidung ausgebildet. Weiterhin wird die polykristalline Siliciumschicht mit Ausnahme eines einer Gate-Zone entsprechenden Bereichs durch ein Photoätz-Verfahren entfernt, und die Gate-Oxidschicht ausserhalb der Gate-Elektrode wird unter Verwendung der sich ergebenden Gate-Elektrode als Maske durch Ätzen entfernt (Fig. 8B).

(iii) Fremdatome (beispielsweise Phorphor) mit einer Leitfähigkeit, die der Leitfähigkeit des Substrats entgegengesetzt ist, wird durch thermische Diffusion eindiffundiert und bildet eine Drain-Elektrode 21 und eine Source-Elektrode 23 (die Donator-Freradatomkonzentration beträgt N^-10 /cm-⁵). Der ausgeschnittene Bereich 22 wird unter der ersten Oxid-JO schicht 201 im Bildelement dieser Ausführungsform ausgebildet. Die Fremdatome diffundieren gleichzeitig in die polykristalline Siliciumschicht ein und bildn das Gate, um die Leitfähigkeit der polykristallinen Siliciumschicht zu erhöhen. Danach wird über der gesamten Fläche eine zweite

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Oxid-(SiO₂)-Schicht 202' ausgebildet (vgl. die Pig. 8C und 8D).

(iv) Die zweiten, über der Drain-Elektrode liegenden Oxidfilme werden durch Photoätzen entfernt, und über der gesaraten Fläche wird eine Al-Schicht durch Aufdampfen aufgebracht. Danach wird das Aluminium mit Ausnahme eines Verdrahtungsbereichs für den Signalausgang 205 durch Photoätzen entfernt (Fig. 8E).

(v) Die dritte, beispielsweise aus SiO^ bestehende, Oxidschicht 203 wird über der ganzen Fläche ausgebildet.

Über der gesamten Fläche wird durch Aufdampfen einer Aluminium-Schicht 204 aufgebracht. Danach wird das Aluminium über einen Photodiodenbereich durch Photoätzen entfernt. Die Anordnung ist dann fertiggestellt (gl. Fig. 8E).

Abfrage- bzw. Abtastschaltungen, die im Bereich der Bildelemente angeordnet sind, werden ebenfalls durch die in den Fig. 8A bis 8E dargestellten Verfahrensschritte hergestellt (obgleich diese Schaltungen nicht dargestellt sind).

In der vorausgegangenen Beschreibung wurde die Halbleiterzone, die die pn-Flächenphotodiode bildet und eine entgegengesetzte Leitfähigkeit gegenüber dem Halbleitersubstrat aufweist, als diffundierte Schicht bezeichnet. Selbstverständlich kann dieser Halbleiterbereich auch durch Ionenimplantation usw. gebildet werden. Das Verfahren zur Herstellung der zuvor beschriebenen Strukturen unterscheidet sich nicht vom Herstellungsverfahren für die herkömmlichen integrierten MOS-Schaltungen.

Wie im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen im einzelnen beschrieben wurde, wird die Blauempfindlichkeit des Photosensors durch Ausbilden des Sensors in der Weise,

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dass die pn-Flächenphotodiode für die photoelektrische Umwandlung in der Festkörper-Aufnahmeeinrichtung ausgeschnitten ist, wesentlich verbessert. Gemäss den Messergebnissen bei" einer Untersuchung der erfindungsgemässen Einrichtung zeigte sich, dass die Blauempfindlichkeit durch die richtige Wahl des Verhältnisses zwischen der Fläche des ausgeschnittenen Bereichs gemäss der Erfindung und der Gesamtfläche der Photodiode um das 2- bis 4-fache erhöht wurde. Auf Grund des erfindungsgemässen Photosensors kann also die Blauempfindlichkeit, die bei den herkömmlichen Aufnahmeeinrichtungen ein besonderes Problem darstellte, verbessert werden, und die Bildqualität nicht nur einer Farbaufnahmeeinrichtung, sondern auch einer Schwarz-Weiss-Aufnähmeeinrichtung wurde wesentlich verbessert.

Wie dies anhand der Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben wurde, wurde das Fenster in der Weise ausgebildet, das.- die Photodiode, die Speicherelektrode oder die CCD-Elektrode für die photoelektrische Umwandlung bei der Festkörper-Aufnahmeeinrichtung teilweise ausgeschnitten wurde, so dass sich die Blauempfindlichkeit wesentlich verbessert. Die Blauerapfindlichkeit, die bei herkömmlichen Aufnahmeeinrichtungen ein erhebliches Problem darstellte, kann also mit der vorliegenden Erfindung wesentlich verbessert werden, und die Bildqualität nicht nur einer Farbaufnahmeeinrichtung, sondern auch einer Schwarz-Weiss-Aufnahmeeinrichtung lässt sich dadurch wesentlich verbessern.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wurde beispielsweise die Photodiode, der ladungsgekoppelte Speicher usw. als Bestandteil der Aufnahmeeinrichtung angegeben.

Es können jedoch auch Ladungsinjektions-Elemente, bipolare Phototransistoren, Shottkey-Photodioden usw. verwendet werden, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.

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Le e rs e i t

Claims

Patentansprüche

(1 J Festkörper-Aufnahmeeinrichtung mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps und mehreren in einem Oberflächenbereich des HalbleiterSubstrats angeordneten Bildelementen, dadurch gekennzeichnet , dass das Bildelement folgende Teile aufweist:

i) einen Bildelementbereich, der in dem Substrat-Oberflächenbereich ausgebildet und gegenüber anderen Bildelementen isoliert ist,

ii) eine erste Zone (21, 51) eines dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyps in dem Bildelementbereich, die zusammen mit dem Halbleitersubstrat (18) eine pn-Flächendiode (27) bildet, iii) einen Fensterbereich (22, 33 bzw. 26, 3²O vom ersten Leitfähigkeitstyp, der in der ersten Zone (21, 31) liegt und durch die erste Zone (21, 31) hindurch ausgeschnitten

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ist, sowie

iv) Nachweiseinrichtungen (19 > 20, 23) zum Feststellen der in der ersten Zone (21, 31) gespeicherten Signalladungen.
2. Festkörper-Aufnahaieeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fensterbereich (22, 33 bzw. 26, ein Vorsprung des Halbleitersubstrats (18) ist.
3· Festkörper-Aufnahmeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fensterbereich (22, 33 bzw. 26, 34-) ein in der ersten Zone (21, 31) angeordnetes, durchgehendes Loch ist.
M-. Festkörper- Auf η ahne ein richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3> gekennzeichnet durch eine Abfrageschaltung, die im Halbleitersubstrat (18) vorgesehen und am Band der Bildelemente angeordnet ist.
5· Festkörper-Aufnahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis M-, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (L) des Fensterbereichs (22, 33 bzw. 26, 34-) so klein wie oder kleiner als die Diffusionslänge der Signalladungen im Halbleitersubstrat (18) ist.
6. Festkörper-Aufnahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Bildelement mehrere Fenster (33 bzw. 34-) im ersten Bereich (31 bzw. 32) aufweist (Fig. 5A,
7· Festkörper-Aufnahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachweiseinrichtung (19, 20, 23) folgende Teile aufweist: i) eine zweite Zone (23) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die im Bildelementbereich angeordnet ist, ii) eine Gate-Elektroden-Isolierschicht (20), die einen Bereich zwischen der ersten Zone (21, 31) und der zweiten

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Zone (23) bedeckt, sowie

iii) eine auf der Gate-Elektroden-Isolierschicht (20) liegende Gate-Elektrode (19).
8. Festkörper-Aufnahmeeinrichtung mit einem eine Hauptfläche aufweisenden Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeit styps und mehreren in einem Flächenbereich des Halbleitersubstrats angeordneten Bildelelementen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildelement folgende Teile aufweist:

i) eine lichtdurchlässige Isolierschicht (20), die auf der Hauptfläche liegt und einen lichtempfindlichen Bereich (42) im Bildelement bedeckt,

ii) eine lichtdurchlässige Gate-Elektrode (36)? die auf der lichtdurchlässigen Isolierschicht (20) liegt und mit einer vorgegebenen Spannung beaufschlagt wird, iii) ein durch die lichtdurchlässige Gate-Elektrode (36) hindurch ausgeschnittenes Fenster (39? 41), sowie iv) Hachweiseinrichtungen (20, 23, 24, 35), die die im lichtempfindlichen Bereich (42) gespeicherten Signalladungen feststellt (Fig. 6A, 6B).
9- Festkörper-Aufnähmeeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere lichtdurchlässige Elektroden (45, 45', 45" bzw. 46, 46', 46") in dem Bildelement (50) vorgesehen sind, wobei die Fenster (48, 48', 48" bzw. 47, 47¹, 47") jeweils in den lichtdurchlässigen Elektroden (45, 45¹, 45" bzw. 46, 46', 46") vorgesehen sind (Fig. 7A, 7B).
10. Festkörper-Aufnahmeeeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachweiseinrichtungen (20, 23, 24, 35) eine Isolierschicht (20), die auf der Hauptfläche liegt und einen dem photoempfindlichen Bereich (42) benachbarten Übertragungsbereich überdeckt, sowie wenigstens eine Übertragungs-Gate-Elektrode (35) aufweist, die auf der Isolierschicht (20) aufgebracht ist (Fig.6A, 6B),

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11. Festkörper-Aufnahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachweiseinrichtungen (20, 23, 24, 35) weiterhin eine Nachweiszone (23) des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, die
nahe dem Übertragungsbereich angeordnet ist.
12. Festkörper-Aufnähmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungs-Gate-Elektrode (35; 4-5» 4-5', 45") einer lichtdurchlässigen Gate-Elektrode (45, 45", 45") eines anderen Bildeletnentes benachbart angeordnet ist. (Fig. ?A,
13- Festkörper-Aufnähmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, dass die Nachweiseinrichtung (19j 20, 23) Einrichtungen umfasst, mit denen
eine Yideospannung mit vorgegebenem Spannungswert an die zweite Zone (23) angelegt wird.
14. Festkörper-Aufnahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und I3, dadurch, gekennzeichnet, dass die Nachweis einrichtung (19» 20, 23) eine auf der zweiten Zone (23) angeordnete ilachweiselektrode (24) aufweist, an die die Video spannung angelegt wird.

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