DE2804466B2

DE2804466B2 - Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung

Info

Publication number: DE2804466B2
Application number: DE2804466A
Authority: DE
Inventors: Norio Tokio Koike; Masaharu Hachioji Kubo; Iwao Kodaira Takemoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-02-04
Filing date: 1978-02-02
Publication date: 1980-02-14
Also published as: FR2379914A1; JPS5730349B2; FR2379914B1; US4148051A; NL7801284A; JPS5396720A; DE2804466C3; DE2804466A1; GB1594185A

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung der in den Oberbegriffen der An-Sprüche 1 und 6 angegebenen Art. Eine solche Einrichtung ist aus der US-PS 3946151 bekannt und in Fig. 1 bis 9 dargestellt.

Gemäß Fig. 1 bilden 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 ainer 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 leiteivden Zustand versetzt und nacheinander abgetastet bzw. abgefragt. Bei diesem Abtast- bzw. Abfragevorgang werden die Ladungen, die durch 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 elektrisehe 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 Bildelement. Nachfolgend soll der einfachen Beschreibung halber angenommen werden, daß es sich um N-Kanal-Festkörper-Aufnahmeeinrichtung handelt, bei der die Signalladungen Elektronen sind. Die nachfolgenden Erläuterungen lassen sich jedoch auch auf P-Kanal-Einrichtungen lesen, indem lediglich die Leitfähigkeit und die Polarität umgekehrt werden.

Die pn-Flächenphotodiode wird aus einem Siliciumsubstrat 11, das aus p-leitendem monokristallinem Silicium besteht und einer n-Ieitenden Diffusionsschicht 12 gebildet, die als Speicherzone für die Signalladungen dient. Die η-leitende Diffusionsschicht 12 dient gleichzeitig als Source-Elektrode und bildet zusammen mit einer beispielsweise aus polykristallinem Silicium bestehenden Gate-Elektrode 13, einer SiIiciumdioxid-(Si0₂)-Schicht 16, die unter der Gate-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 SiO₂-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 η-leitende diffundierte Schicht 12 und werden in der pn-Übergangs-Kaps7ität zwischen der η-leitenden diffundierten Schicht 12 und dem Siliciumsubstrat 11 gespeichert. Der Horizontal-Schalt-MOS-Transistor 3 wird durch einen positiven Abfrage- bzw. Abtastimpuls vom Horizontal-Abtaster 9 in den leitenden Zustand versetzt und, da die Signalleitung 6 dann mit dem Horizontal-Abtaster 9 verbunden ist, wird über die mit dem Transistor 3 verbundene Signaüeitung 6 eine von der Video-Spannungsquelle 5 bereitgestellte Videospannung an die Drain-Elektroden der MOS-Transistoren 2 angelegt, 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 positiv und fällt ab, weil die ρ n-Ubergangskapazität weiter durch das einfallende Licht 15 erzeugte Elektronen speichert, bis der nächste positive Abtastimpuls angelegt wird. Da die Menge der gespeicherten Elektronen der Lichtmenge in dem Bild eines Objekts entspricht, das auf die pn-FIächenphotodioden der jeweiligen Bildelemente projiziert wird, kann das Videosignal durch den zuvor beschriebenen Vorgang erzeugt und abgegeben werden. r>

Die bekannte Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung, insbesondere die den wichtigsten Teil dieser Einrichtung bildenden 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 Nachfrage und damit die Anstrengungen zur Herstellung einer praktisch verwertbaren Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung sehr groß sind, konnte eine derartige Einrichtung bis jetzt v> noch nicht realisiert werden.

Die Lichtabsorptionsfähigkeit von Silicium hängt von der Wellenlänge ab. Die Absorptionrkennlinien für rotes Licht (mit einer Wellenlänge von 0,65 μίτι), für grünes Licht (mit einer Wellenlänge von 0,55 μηι) -,ο und für blaues Licht (mit einer Wellenlänge von 0,45 μπι), die die drei Primär-Lichtfarben bilden, sind in Fig. 3 aufgetragen und mit den Buchstaben R, G bzw. B versehen. Das blaue Licht B erzeugt Elektronen-L'öcher-Paare in der Nähe der Siliciumoberfläehe, wogegen das Rotlicht R tief in das Silicium eindringt 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 Re- t,o kombination 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 μηι 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 der Rauschabstand klein ist. Daher ist eine Farbbildaufnahme nicht möglich. Sogar bei einer Schwarz-Weiß-Aufnahme 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-Aufnahmeeinrichtung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung zu schaffen, deren Empfindlichkeit gegenüber sichtbarem Licht, insbesondere gegenüber blauem Licht wesentlich größer ist, und mit der die Wiedergabetreue bei Färb- und Schwarz-Weiß-Bildaufnahmen stark verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 6 angegebenen Merkmale gelöst.

Der danach vorgesehene Fensterbereich bewirkt, daß durch das einfallende Licht in dem dem Fensterbereich entsprechenden Teil des HaJbleitersubstrats Ladungen hauptsächlich nahe der Substratoberfläche durch das sichtbare Licht geringerer Wellenlänge, d. h. hauptsächlich im blauen Spektralbereich, erzeugt werden. Diese durch das blaue Licht zusätzlich erzeugten Ladungen werden in den den Fensterbereich umgebenden, die Photosignalladungen speichernden Bereich gezogen und erhöhen somit die Empfindlichkeit für blaues Licht. Dadurch wird der Unterschied in der Empfindlichkeit für die verschiedenen Spektralbereiche des einfallenden Lichtes verringert und die Wiedergabetreue sowohl für Färb- als auch für Schwarz-Weiß-Bilder verbessert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus der bekannten Festköiper-Aufnahmeeinrichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Aufbau eines Bildelementes in der bekannten Festkörper-Aufnahmeeinrichtung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die Absorptionskennlinien des Siliciums für das Licht der drei Primärfarben wiedergibt,

Fig. 4 A einen Querschnitt, der die Struktur eines Bildelementes in einer Festkörper-Aufnahmeeinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wiedergibt,

Fig. 4 B das Flächemuster einer Photodiode in dem in Fig. 4A dargestellten Bildelement,

Fig. 5 A einen Querschnitt, der den Aufbau eines Bildelementes in einer Festkörper-Aul'nahmeeinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wiedergibt,

Fig. 5B das Flächenmuster einer Photodiode in dem in Fig. 5 A dargestellten Bildelement,

Fig. 6A einen Querschnitt, der die Struktur eines Bildelementes in einer Festkörper-Auf nahmeeinrich-

tung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung wiedergibt,

Fig. 6B das Flächenmuster einer Speicherelektrode in dem in Fig. 6A dargestellten Bildelement,

Fig. 7 A einen Querschnitt, der die Struktur eines Bildelementes in einer Festkörper-Aufnahmeeinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung wiedergibt,

Fig. 7B ein Ftächenmuster der Speicherelektroden in dem in Fig. 7A dargestellten Bildelement, und '"

Fig. 8 A bis 8E eine Reihe von Querschnitten, die der Erläuterung der Struktur eines Bildelementes in einer Festkörper-Aufnahmeeinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dienen und in der Reihenfolge der Herstellungs- ü schritte dargestellt sind.

Die erfindungsgemäße Festkörper-Aufnahmeeinrichtung 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 Biidelemente und zum Abgreifen der Ausgangssignale auf demselben Halbleitersubstrat integriert sind. Fig. 1 zeigt beispielsweise einen Flächensensor, bei dem die Biidelemente in zwei Dimensionen angeordnet sind. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung auch bei einem linearen Sensor angewendet werden, bei dem so 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 vcn 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 3in den leitenden (»ein«) und nicht-leitenden (»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 Bildelement vorzusehen und diesen dann direkt mit der Signalleitung 6 und 7 zu verbinden. In einigen Fällen befindet sich ein vertikaler Schalt-MOS-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, Nr. 6, Dezember 1969, beschrieben ist.

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

Beispiel 1
Die Fig. 4A und 4B zeigen die bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wesentliche Struktur eines Bildelementes und die Struktur und das Flächenmuster einer Photodiode. Fig. 4 A zeigt ein p-Ieitendes Silicium (Si)-Substrat 18, eine Gate-Elektrode 19, die auf dem Siliciumsubstrat 18 über einer isolierender Oxidschicht 20 (normalerweise einer Siliciumdioxic (SiO₂)-Schicht) aufgebracht ist, eine η-leitende, diffundierte Schicht 21, die als Speicherzone für die Signalladungen dient und zusammen mit dem Substrai 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. 4 B dargestellt ist, besitzt die diffundierte η-leitende Schicht 21 eine Ausbildung derart, daß die diffundierte Schicht durch das Substrai teilweise »ausgeschnitten« (»hollowed out«) ist. Ein Bereich 25 entspricht der in Fig. 4 A gezeigten diffundierten n-Ieitenden Schicht 21 und ein Bereich 26 entspricht einem 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 n-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 n-Ieitende 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 V₅ 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 n-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 von etwa 10¹⁵/cm\ wie sie üblicherweise vorliegt, beträgt etwa 20 μπι. Daher kann die Abmessung des Fensters bei den heutigen Aufnahmeeinrichtungen, bei denen Zwischenraum zwischen den Bildelementen etwa 50 μπι beträgt, etwa 40 um oder darunter betragen. In diesem Falle kann eine Quantenausbeute von praktisch 100% 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 5 μπι. Wenn die Verfahrenstechnologie in Zukunft jedoch Fortschritte macht, kann es jedoch

auch möglich sein, diese untere Grenze zu etwa 1 μίτι zu wählen. Der 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 η-leitenden Schicht 21, besteht darin, daß der dickere Bereich als Diffusionsmaske bei der Ausbildung der diffundierten 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 genauso dick wie die isolierende Oxidschicht auf der diffundierten η-leitenden Schicht 21 nach Ausbilden dieser Schicht 21 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. 5 A und 5B dargestellt ist. In Fig. 5 A bildet eine diffundierte, η-leitende Schicht 31 eine Photodiode. Ein Bereich 32 in Fig. 5 B entspricht der diffundierten n-leitenden Schicht 31 in Fig. 5 A. Die Bereiche 33 (die Bereiche 34 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. 4 A 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 der Blauempfindlichkeit noch höher als die in den Fig. 4 A und 4B 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-Photosensors 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. 6 A zeigt ein p-leitendes Siliciumsubstrat 18 und eine auf dem Siliciumsubstrat über einer isolierenden Oxidschicht 20 ausgebildete Gate-Elektrode 35. Eine Elektrode 36 speichert Signalladungen und der mittlere Teil 39 dieser Elektrode ist ausgeschnitten. Als Signalladungen speichernde Elektrode 36 wird üblicherweise eine polykristalline Siliciumschicht verwendet, die elektrisch leitend und lichtdurchlässig ist (die Schichtdicke beträgt 3000 A bis 4000 A). An die Elektrode 36 wird mit einer nicht dargestellten Einrichtung eine vorgegebene Spannung angelegt, und unter der Elektrode bildet sich in der Halbleiteroberfläche eine Verarmungsschicht 37 aus, die für die Photosignalladungen 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

i<> 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 Fensterbej reich 39 auf Grund desselben Vorgangs, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutertwurde, 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 Pfel 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

-'5 η-leitenden, diffundierten Schicht, die als Drain-Elektrode 23 dient, abgezogen und gelangen zu einer Ausgangsleitung 24.

Beispiel 4

Die Fig. 7 A 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 HaIbleitersubstrat 18 und Elektroden 45, 45' und 45", die über einer isolierenden Oxidschicht 2.0 aufgebracht sind und der Speicherung von Photosignalladungen dienen. Bei dem in Fig. 7 B dargestellten Flächemuster 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' und 48" (die in Fig. 7A dargestellt sind) der Elektroden 45, 45' und 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 Null Volt gehalten werden, und daß eine vorgegebene Spannung an die Elektrode 45 angelegt wird (die übli-

,0 chen Verschiebeimpulse werden über die Signalleitungen 0_V 0₂ und 0j angelegt). Dann bildet sich eine Verarmungsschicht 49 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 51 gespeicherten Ladungen zu einer unter der nächsten Elektrode 45' gebildeten Verarmungszone verschoben. Danach werden die Ladungen entsprechend dem Ladungsverschiebevorgang des herkömmlichen ladungsgekoppelten Speichers nacheinander (in Richtung des Pfeiles 70) verschoben bzw. übertragen und mit (nicht dargestellten) Signalladungs-Detektorein-

richtungen ausgelesen, die an der Endstufe der Aufnahmeeinrichtung vorgesehen sind.

Beispiel 5

Das Herstellungsverfahren für die Festkörper-Aufnahmeeinrichtung mit der erfindungsgemäßen Struktur wird nachfolgend anhand der Fig. 8 A bis 8E beschrieben. Das sogenannte LOCOS-(local 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 Siliciumsubstrat 18 (mit einer Akzeptor-Konzentration von N = 10¹⁵ZCm³) ausgebildet (vgl. Fig. 8A).

(ii) Eine Oxid-(SiO₂)-Schicht 202 für ein Gate wird durch thermische Oxidation ausgebracht und eine polykristalline Siliciumschicht 19 wird dann darüber als Gate-Elektrode, beispielsweise mit dem CVD-ichemical 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, der der Leitfähigkeit des Substrats entgegengesetzt ist, wird durch thermische Diffusion eindiffundiert und bildet eine Drain-Elektrode 21 und eine Source-Elektrode 23 (die Donator-Fremdatomkonzentiration beträgt Λ'^ = 10²⁰/cm³). Der ausgeschnittene Bereich 22 wird unter der ersten Oxidschicht 201 im Bildelement dieser Ausführungsfoim ausgebildet. Die Fremdatome diffundieren gleichzeitig in die polykristalline Siliciumschicht ein und bilden das Gate, um die Leitfähigkeit der polykristallinen Siliciumschicht zu erhöhen. Danach wird über der gesamten Fläche eine zweite OxJd-(SiO₂)-Schicht 202' ausgebildet (vgl. die Fig. 8C und 8D).

(iv) Die zweiten, über der Drain-Elektrode liegenden Oxidfilme werden durch Fhotoätzen entfernt, und über der gesamten 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 SiO₂ 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 (vgl. Fig. 8E).

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

ίο 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 Ionenimplatation usw. gebildet werden. Das Verfahren zur Herstellung der zuvor beschriebenen Strukturen unterscheidet sich nicht vom Herstellungsverfahren für die herkömmlichen integrierten M OS-Schaltungen.

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

jo der Fläche des ausgeschnittenen Bereichs gemäß der Erfindung und der Gesamtfläche der Photodiode um das 2- bis 4fache erhöht wurde. Auf Grund des erfindungsgemäßen Photosensors kann also die Blauempfindlichkeit, die bei den herkömmlichen Aufnahme-

JS einrichtungen ein besonderes Problem darstellte, verbessert werden, und die Bildqualität nicht nur einer Farbaufnahmeeinrichtung, sondern auch einer Schwarz-Weiß-Aufnahmeeinrichtung wurde wesentlich verbessert.

Wie dies anhand der Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben wurde, wurde das Fenster in der Weise ausgebildet, daß die Photodiode, die Speicherelektrode oder die CCD-Elektrode für die photoelektrische Umwandlung bei der Festkörper-Aufnahme- einrichtung teilweise ausgeschnitten wurde, so daß sich die Blauempfindlichkeit wesentlich verbessert. Die Blauempfindlichkeit, 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 wer-

bo den, ohne daß dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung mit in einem Oberflächenbereich eines Halbleitersubstrats (18) angeordneten Bildelementen, deren jedes eine Halbleiterzone (21; 31) die einen dem Leitungstyp des Halbleitersubstrats entgegengesetzten Leitungstyp hat und mit dein Halbleitersubstrat eine pn-Flächendiode (27) bildet, sowie eine Nachweiseinrichtung (19, 20, 23) zum Feststellen der in der Halbleiterzone gespeicherten Signalladungen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Halbleiterzone (21; 31) ein Fensterbereich (22,26; 33, 34) ausgeschnitten ist, der den gleichen Leitungstyp hat wie das Halbleitersubstrat (8) (Fig. 4, 5).

2. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterbereich (22,26; 33,34) von einem Vorsprung des Halbleitersubstrats (18) gebildet ist.

3. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterbereich (22, 26; 33, 34) ein in der Halbleiterzone (21; 31) angeordnetes, durchgehendes Loch ist.

4. Bildaufnahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (L) des Fensterbereichs (22, 26; 33, 34) nicht größer ist als die Diffusionslänge der Signalladungen im Halbleitersubstrat (18).

5. Bildaufnahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Bildelement mehrere Fensterbereiche (33, 34) in der Halbleiterzone (31, 32) aufweist (Fig. 5).

6. Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung mit in einem Flächenbereich eines Halbleitersubstrats (18) angeordneten Bildelementen, deren jedes einen lichtempfindlichen Bereich (42) mit einer auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats liegenden, den lichtempfindlichen Bereich bedeckenden Isolierschicht (20) und eine Nachweiseinrichtung (20,23,35) zum Feststellen der in dem lichtempfindlichen Bereich gespeicherten Signalladungen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der lichtdurchlässigen Isolierschicht (20) eine mit vorgegebener Spannung beaufschlagte lichtdurchlässige Gate-Elektrode (36, 40; 45, 46) liegt, in der ein Fenster (39, 41; 47, 48) ausgeschnitten ist (Fig. 6, 7).

7. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Bildelement (50) mehrere lichtdurchlässige Elektroden (45, 46) umfaßt, in deren jeder ein Fenster (47, 48) vorgesehen ist (Fig. 7).

8. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweiseinrichtung (20, 23, 35) eine auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats (18) angeordnete Isolierschicht (20), die einen dem lichtempfindlichen Bereich (42) benachbarten Übertragungsbereich überdeckt, sowie mindestens eine auf der Isolierschicht (20) angeordnete Übertragungs-Gate-Elektrode (35; 45', 45") aufweist (Fig. 6, 7).

9. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungs-Gate-Elektrode (35; 45'. 45") der lichtdurchlässigen Gate-Elektrode (36; 45) eines anderen Bildelementes benachbart angeordnet ist.