DE2901735C2

DE2901735C2 - Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE2901735C2
Application number: DE2901735A
Authority: DE
Inventors: Norio Tokyo Koike; Masaharu Hachioji Tokyo Kubo; Shinya Kokubunji Tokyo Ohba; Iwao Kodaira Tokyo Takimoto; Shuhei Higashiyamato Tokyo Tanaka
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-01-23
Filing date: 1979-01-17
Publication date: 1983-10-27
Also published as: JPS6017196B2; NL7900496A; GB2013026A; FR2415398A1; FR2415398B1; US4223330A; DE2901735A1; CA1129081A; JPS5498521A; GB2013026B

Description

1.0 V einer Polaritätsinverterschaltung, die den Bildabtaster bildet, entspricht. Wenn das Potential der Photodiode um —0,5 V bis —1,0V ansteigt, wird die Diodenspannung entsprechend der einfallenden Lichtmenge entladen und das Potential V₁, (V_c < V^) der Diode (Schicht 14) nimmt ab {Fig. 1 C). Wenn die Lichtmenge weiter zunimmt, überschreitet das D'odenpotential νζ (K < K) ^das Potential des Halbleiterkörpers (Fig. 1 D) und die in der Diode erzeugten Elektroden durchlaufen den unter dem Gate des MOST 11 liegenden Abschnitt und fließen ;n die mit der Signalausgangsleitung verbundene Drain 15.

Andererseits hält das Potential der Drain 15 einen Wert von V₁.+ V_b— K,_ro·, über die ganzen Zeiten hinweg, weil eine zur Vertikalausgangsleitung mit den damit gemeinsam verbundenen Drains parasitäre Kapazität mehrere zehnmal größer als die Ladungsspeicherkapazität der Photodiode ist und während jeder Horizontalabtastdauer auf die Video-Spannung aufgeladen wird. Dementsprechend wirkt die Drain bzw. die Vertikaiausgangsieitung als Speicherkapazität, die Ladungen absorbiert, weiche als Folge des Potentialanstiegs der Diode nicht in der Diode gespeichert werden können, und führt damit das Blooming herbei.

Bei der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach der oben erwähnten deutschen Patentschrift Nr. 2847992 wird das Blooming dadurch unterdrückt, daß die Vertikal-Schalt-MISFETs außer ihrer eigentlichen Abtastung zur Erzeugung der Bildsignale in den dazwischen liegenden Austast-Perioden nochmals eingeschaltet werden, um etwaige durch Blooming erzeugte überschüssige ladungen zu entfernen. Zu diesem Zweck ist eine zusätzliche Schaltstufe erforderlich, die die zwischenzeitliche Aufsteuerung der Vertikalschalter in der richtigen zeitigen Relation zur eigentlichen Bildabtastung bewirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung der eingangs bezeichneten Art auftretende Blooming- oder Überstrahlungseffekte mit möglichst geringem zusätzlichen Schaltungsaufwand zu vermeiden.

Drei Lösungen dieser Aufgabe sind in den Patentansprüchen 1. 3 und 5 angegeben. Die drei Lösungen beruhen auf dem gemeinsamen Prinzip, daß das unerwünschte und störende Abfließen von durch Bildelemente hoher Helligkeit hervorgerufenen übermäßigen Ladungen auf die Vertikal-Ausgangsleitungen dadurch verhindert wird, daß die von den jeweiligen Vertikal-MISFETs im nicht durchgeschalteten Zustand gebildeten Schwellen erhöht werden. Bei den Lösungen nach den Patentansprüchen 1 und 3 wird dazu lediglich eine konstante Spannungsquelle, bei der Lösung nach Patentanspruch 5 lediglich eine zusätzliche Störstoff-Diffusionszone im Substrat benötigt. In jedem Fall kommt die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne eine zusätzliche Steuerschaltung aus.

Die deutsche Auslegeschrift Nr. 2600962 befaßt sich ebenfalls mit der Aufgabe, Überstrahlungseffekte zu vermeiden. Dort wird diese Aufgabe durch funktionsmäßige Steuerung bestimmter Teile der Vorrichtung gelöst, wozu ähnlich wie bei der Vorrichtung nach der eingangs erwähnten Patentschrift eine in zeitlich vorgegebener Relation zum übrigen Betrieb der Vorrichtung gesteuerte Schaltstufe erforderlich ist. Im übrigen bezieht sich diese Druckschrift auf CCD-Vorrichtungen, so daß sich die dort angegebene Lösung schon aus diesem Grund nicht ohne weiteres auf eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung anwenden läßt.

Gemäß der deutschen Auslegesciirift Nr. 2745046 gehört ferner eine Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung zum Stand der Technik, bei der in einem Halbleitersubstrat Dioden und jeweilige zugehörige MISFET-Schalter integriert sind. Ferner weist diese Schaltung im Oberflächenbereich des Substrats Zonen höherer Fremdstoffkonzentration auf, die als Kanaltrennzonen zur Isolierung benachbarter Bildelemente dienen. Im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Lösung nach Patentanspruch 5 haben diese Kanaltrennzonen jedoch nicht die Aufgabe, die von den MISFET-Schaltern gebildeten Schwellen gegen das Abfließen überschüssiger Ladungen zu erhöhen. Die Druckschrift befaßt sich auch nicht mit Blooming-Effekten. Die genannten Kanaltrennzonen liegen nicht an denjenigen Stellen, an denen Gate-Elektroden der Schalt-MISFETs vorhanden sind.

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

Fig. IA bis 1 D, auf die oben schon Bezug genommen wurde, eine Schnittansicht durch den Aufbau eines Bildelements einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung bzw. graphische Darstellungen von Energiebändern, wobei Fig. IB den Anfangszustand der in Fig. 1A enthaltenen Photodiode, Fig. IC den entladenen Zustand der Photodiode und Fig. ID den Zustand bei Auftreten eines Blooming-Effektes zeigt,

Fig. 2 eine Schnittansicht des Aufbaus eines Bildelements einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsiorm der Erfindung,

Fig. 3A ein schematisches Schaltbild, welches den Aufbau einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 3 B eine Schnittansicht, welche den Aufbau eines Bildelements der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 3C ein schematisches Schaltbild, welches ein Beispiel einer Vertikalabtastschaltung zur Verwendung in der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 3D eine graphische Darstellung, welche Abtast-Ausgangsimpulse der Abtastschaltung der Fig. 4C zur Verwendung in der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 3E eine graphische Darstellung von Energiebändern im Bildelement der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei der entladene Zustand einer Photodiode gezeigt ist, und

Fig. 4 eine Schnittansicht, welche den Aufbau eines Bildelements einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf ihre Ausfiihrungsformen beschrieben.

Mit den folgenden Ausführungsformen werden Abbildungsvorrichtungen aus yV-Kanal-MOSTs beschrieben, das gleiche gilt jedoch auch für Abbildungsvorrichtungen aus P-Kanal-MOSTs, wenn die verschiedenen anzulegenden Spannungen sowie die Polaritäten der Leitungstypen umgekehrt werden. Ferner wird in der folgenden Darstellung von MOSTs ausgegangen, die Erfind'.mg läßt sich aber auch auf Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MISFETs) ausdehnen, bei welchen ein von einem Oxidfilm verschiedener Isolationsfilm (beispielsweise aus Si₃S₄) als Gate-Isolationsfilm verwendet wird.

Ausführungsform 1:

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung.

17 bezeichnet ein Siliziumsubstrat des JV-Leitungstyps.

18 und 19 bezeichnen trog-diffundierte Schichten des P-Leitungstyps, welche in einem Oberflächenbereich des Substrats 17 ausgebildet sind und von welchen der Trog

18 Tür die Integration von Auswahlschalttransistoren und Photodioden darin und der Trog 19 für die Integration von Abtastschaltungen darin dient. Bei 20 und 22 sind Elektroden (üblicherweise aus Aluminium) gezeigt, mit denen die einzelnen /"-Diffusionsschichten 18 und 19 auf bestimmte Spannungen gelegt werden. Die Elektroden 20 und 22 liegen über in Teilen eines Isolationsfilms 21 is vorgesehenen Ätzlöchern in Berührung mit /"-diffundierten Schichten 23 und 24, die in ihrer Fremdstoffkonzentration höher als die /"-diffundierten Schichten 18 und

19 liegen. Ein MOST 25 ist ein Vertikalschalt-MOST, welcher aus einer Gate-Elektrode 26 (üblicherweise aus polykristallinem Silizium), einer mit einer Signalausgangsleitung 27 (üblicherweise aus Aluminium) verbundenen Drain 28 und einer Source 29 aufgebaut ist. Die Source 29 des MOST 25 wird als Photodiode ausgenützt. Die Drain 28 und die Source 29 sind hier aus /V-diffundierten Schichten ausgebildet, deren Fremdstoffkonzentration höher liegt als diejenige der trog-diffundierten Schichten des P-Leitungstyps. Die Photodiode 29 und der MOST 25 bilden ein Bildelement.

Der Blooming-Unterdrückungseffekt dieser Abbildungsvorrichtung wird nun erläutert. Da der /"-Diffusionstrog 19, in welchem die Abtastschaltungen integriert sind, keine Beziehung zur Unterdrückung des Blooming hat, wird dieser üblicherweise über die Elektrode 22 an Erdpotential (0 V) gelegt. Im Gegensatz dazu liegt an dem /"-Diffusionstrog 18, in welchem die einzelnen Photodioden integriert sind, eine positive Spannung K₀, um einen Abschnitt unterhalb der Gate-Elektrode des Vertikalschalt-MOST auf einen Ladungsanhäufungspegel zu setzen.

Die Spannung V_a muß jedoch niedriger als die in Video-Spannung V_v sein, um zu verhindern, daß die Übergänge zwischen dem Trog und der Source 29, die als Photodiode dient, und zwischen dem Trog und der Drain 28 zur Lieferung eines Signals in einen vorwärtsvorgespannten Zustand fallen. Ferner wird eine positive Spannung, die höher als die an den /"-diffundierten Trog 18 gelegte ist, an das Substrat 17 gelegt, um den Übergang zwischen dem Trog 18 und dem Substrat 17 in einen sperrvorgenannten Zustand zu legen (die Elektrode zum Anlegen der Spannung an das Substrat ist in der Figur weggelassen). Dementsprechend wird die Energie von Elektronen unterhalb der Gate-Elektrode, verglichen mit der entsprechenden Energie in der Photodiode, um eine Spannung δ V_w selbst in dem Fall höher, wenn die Photodiode durch einfallendes Licht vollkommen entladen worden ist.

n_e = n_oe\p{ - —

SV=V„+V_h-V.

P(O")

(1)

Mit Wahl von V_a zu +0,5 V und mit den am meisten üblichen Werten für V_b und V_pi~₀~_t von 0,8 V bzw. 1,0 V ergibt sich aus Gleichung (1) ein Wert von 0,3 V für die Spannung 6 V_w. Andererseits ist die Anzahl n_e von Elektronen, welche die Spannung OV_W übersteigen können und durch den unter der Gate-Elektrode 26 liegenden Abschnitt in die Signalliefer-Drain 28 fließen, durch die folgende Gleichung gegeben, wenn n₀ die Anzahl der in der Photodiode 29 erzeugten Elektronen bezeichnet:

wobei k die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur bezeichnet. Für <5K_H. = O,3 V und Raumtemperatur (Γ«300Κ) ergibt sich für die Anzahl von einfließenden Elektronen im Verhältnis zur Anzahl der erzeugten Elektronen also für njn_o durch Auswertung der Gleichung (2) ein Wert von 4,5 · 10"⁴. Durch Anlegen der positiven Spannung von ungefähr 0,5 V an den Trog, wie gemäß der Erfindung, läßt sich die Anzahl der Elektronen, die in die Signalliefer-Drain fließen, auf ungefähr ' /10000 der Anzahl im Rahmen des Standes der Technik senken, so daß es möglich wird, das Auftreten des Blooming-Phänomens in augenfälliger Weise zu verhindern.

Wenn die Fremdstoffkonzentration des Substrats in der oben beschriebenen Abbildungsvorrichtung ungefähr 10¹⁵ Atome/cm³ beträgt, ist es wünschenswert, daß die /"-Fremdstoffkonzentration der Tröge 18 und 19 3 ■ 10'⁵ — 5 -10¹⁶ Atome/cm³ beträgt, daß die Fremdstoffkonzentration der /"-diffundierten Schichten 23 und 24 ungefähr 10'⁸ Atome/cm³ beträgt, um einen ausreichenden Kontakt mit den entsprechenden Elektroden 20 und 22 herzustellen, und daß die N-Fremdstoffkonzentration der Source und der Drain 10¹⁹ — 10²⁰ Atome/cm³ ■beträgt. Diese Zahlen sind Werte, wie sie gegenwärtig bei der Herstellung von Komplementär-MOS-ICS verwendet werden, so daß sich die beschriebene Abbildungsvorrichtung leicht nach den Herstellungsverfahren von Komplementär-MOS-Vorrichtungen herstellen läßt.

Bei dieser Ausführungsform wurde der Fall betrachtet, daß die Abtastschaltung und die Photodiode in getrennten Trögen, die in ein und demselben Substrat vorgesehen sind, integriert sind, um die Funktion der Abtastschaltung nicht zu beeinträchtigen. Das Blooming läßt sich natürlich aber selbst dann unterdrücken, wenn die Tröge nicht vorgesehen sind und sowohl die Abtastschaltung als auch die Photodiode in einem Substrat des /"-Leitungstyps integriert sind. In diesem Fall wird eine positive Spannung an das Substrat gelegt. Es muß verhindert werden, daß der Übergang zwischen der Source oder Drain, die die Abtastschaltung bilden, und dem Substrat in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, und die Obergrenze der angelegten Spannung die eingebaute Spannung (0,8 V) nicht überschreiten kann. Dementsprechend ist der Aufbau der Abbildungsvorrichtung einfacher als der Trogaufbau gemäß Fig. 2, in welchem Maße auch das Herstellungsverfahren vereinfacht ist. Der Blooming-Unterdrückungseffekt ist jedoch geringer.

Ausführungsform 2:

Bei der vorstehenden Ausführungsform 1 wird das Blooming durch Anlegen einer positiven Spannung an dem im Substrat ausgebildeten Trog oder an das Substrat selbst unterdrückt. Eine ähnliche Unterdrückung des Blooming läßt sich selbst dann durchführen, wenn, umgekehrt wie bei dem vorstehenden System, eine negative Spannung an die Gate-Elektrode des Vertikalschalt-MOST gelegt wird, das heißt, die »O«-Pegel-Spannung des Abtastimpulses, welchen der Vertikalabtaster liefert, wird bezüglich des Substrats zu einer negativen Spannung gemacht.

Die Fig. 3A bis 3D zeigen einen weiteren Aufbau der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung. In Fig. 3A bezeichnet 30 eine Vertikalabtastschaltung, 31 eine Referenzspannungsquelle für die

Schaltung 30 und 32 eine Verbindungsleitung zum Anlegen einer Referenzspannung. MOSTs 33 sind Vertikalschalt-MOSTs. deren Gates 34 mit Ausgangsleitungen O_yl, O_y2...der entsprechenden Stufen der Abtastschaltung verbunden sind. Eine Diode 35 ist eine Photodiode, welche die Source des Schalttransistors 33 ausnützt. 36 bezeichnet die Drains der Schalt-MOSTs 33, wobei diese gemeinsam mit einer Vertikalausgangsleitung 37 verbunden sind. Fig. 3 B zeigt den Schnittaufbau (d.h.. den integrierten Schaltungsaufbau) der in Fig. 3A gezeigten Schaltungsanordnung. Ein MOST 33' ist ein Vertikalschalt-MOST, welcher eine Gate-Elektrode 34' (üblicherweise aus polykristallinem Silizium) hat. Bei 35' ist eine Source gezeigt, welche aus einer Diffusionsschicht ausgebildet ist. welche einen Leitungstyp (beispielsweise Λ'-Typ) hat, der demjenigen eines Substrats 38 (beispielsweise P-Siliziumsubstrat) entgegengesetzt ist, und eine Photodiode bildet. Bei 36' ist eine Drain gezeigt, welche als Diffusionsschicht mit dem gleichen Leitungstyp, wie ihn der Diodenbereich hat, ausgebildet und mit einer Vertikalausgangsleitung (üblicherweise aus Aluminium) 37' verbunden ist. 32' bezeichnet eine Verbindungsleitung zum Anlegen einer Referenzspannung (üblicherweise aus Aluminium), wobei diese Verbindungsleitung mit einer N-Diffusionsschicht 39 verbunden ist, welche als Source (oder Drain) eines MOST (siehe Fig. 3C) dient, der den Vertikalabtaster 30 aufbaut. 40 bezeichnet einen Isolationsfilm (aus SiO₂ oder dergleichen). Fig. 3C zeigt ein Beispiel für die in Fig. 3A dargestellte Vertikalabtastschaltung 30. 41 bezeichnet eine Polaritätsumkehrschaltung, welche aus einer Serienschaltung, bestehend aus einem Last-MOST 42 und einem Treiber-MOST 43, aufgebaut ist. Ein MOST 44 ist ein Übertragungs-MOST, welcher durch zwei Phasen von Taktimpulsen, die durch Taktimpulsgeneratoren 45 und 46 erzeugt werden, ein- und ausgeschaltet wird. 47 bezeichnet eine Spannungsquelle, welche die Last-MOSTs betreibt und die »!«-Pegel-Spannung der an den Ausgängen O_yl, O_n, ...der einzelnen Stufen erhaltenen Abtastimpulse steuert. 48 bezeichnet eine Referenzspannungsquelle, welche mit den Sources (oder Drains) der Treiber-MOSTs gemeinsam verbunden ist und eine neue »O«-Pegel-Spannung V_Nro-_t der Abtastimpulse setzt. Ein durch einen Eingangsimpulsgenerator 49 erzeugter Eingangsimpuls wird dem Überiragungs-MOST 44 der ersten Stufe der Schaltung eingegeben. Durch Aufgabe der Taktimpulse auf die entsprechenden Stufen der Abtastschaltung wird der Eingangsimpuls in Abtastimpulse P_fl, P_yll... umgewandelt, welche immer um eine Dauer des Taktimpulses verzögert sind und an den Ausgängen O_yl , O_yl,... der einzelnen Stufen (Fig. 3D) erhalten werden. Wegen des Lasi-iviOST mit niedrigem g„ (Stcilhcii) stimmt dabei die Anstiegszeit mit der Ladeimpulsform überein, während die Abfallzeit wegen des Treiber-MOST mit hohem g_m mit der Entladeimpulsform übereinstimmt. Die »1 «-Pegelspannung ist gleich einem Wert, der durch das Abziehen der Schwellenspannung V_T des Last-MOST von der durch die Spannungsquelle 47 gelieferten Spannung V_dd gewonnen wird. Sei ß_R das g_m-Verhältnis zwischen dem Treiber-MOST und dem Last-MOST, dann ist die »O«-Pegel-Spannung Κ_ρΓ0.., durch die folgende Gleichung gegeben:

ν —

^ypi"0")~

(3)

Im allgemeinen ist V_M ungefähr 10 V und ß_R ungefähr 10 bis 20. so daß die Spannung ν_ρΓ0._Ί von 0 V um ungefähr 0,5 bis 1,0 V ansteigt. Wenn die Spannung V₅ der

65 Referenzspannungsquelle auf einen negativen Wert eingestellt wird, kann die Komponente des Anstiegs der Spannung V_pron weggehoben werden, wobei bei Einstellung der Spannung V₅ auf eine unter —0,5 V liegende negative Spannung die Komponente des Anstiegs der Spannung ν_ρΓ0-_Ί in vollkommener Weise weggehoben werden kann. Sei V_N{ ,.₀.., die neue »Ow-Pegel-Spannung dank des Vorsehens der Referenzspannungsquelle, dann gilt, daß ^,..0», = K_P(.._O.., — V_s. Indem man V₅ in Minusrichtung tiefer macht, kann dementsprechend ^,-o··) noch weiter abgesenkt werden. Aufgrund des Vorhandenseins des Übergangs 39 ist es jedoch unmöglich eine Spannung anzulegen, deren Absolutwert größer als derjenige der eingebauten Spannung (ungefähr 0,8 V) des Übergangs ist. In diesem Zustand nimmt die Oberfläche des Halbleitersubstrats unterhalb der Gate-Elektrode den Ladungsanhäufungspegel an. Dementsprechend wird die Energie des Gate-Bereichs für Elektronen verglichen mit derjenigen der Photodiode um δ V₅ selbst dann höher, wenn die Photodiode durch das einfallende Licht vollkommen entladen worden ist (^ = OV) (siehe Fig. 3E).

SV = - V + V — V (4)

Bei Wahl der Spannung der Referenzspannungsquelle zu -0,5 V und der Werte von V_b und K_pro.., zu 0,8 V bzw. 1,0 V wird nach Gleichung (4) die Differenzspannung δ V₅ 0,3 V. Daher kann ähnlich wie im Fall der Ausführungsform der Fig. 2 die Anzahl der in die signalliefernde Drain fließenden Elektronen auf ungefähr Vioooo derjenigen im Stande der Technik vermindert werden. Das eben beschriebene System ist auch auf die Abbildungsvorrichtung des in Fig. 2 gezeigten Trogaufbaus anwendbar. Durch Einstellen der Spannung des Trogs 19 auf einen tieferen Wert in Minusrichtung als die Spannung des Trogs 18 läßt sich ein größerer Effekt hinsichtlich der Unterdrückung des Blooming erreichen. Das heißt, es kann, wenn V_d die Potentialdifferenz des Troges 19 in bezug auf den Trog 18 bezeichnet, eine Differenzspannung δ V₅ gemäß der folgenden Gleichung erreicht werden, und man erzielt einen Unterdriickungseffekt, der im Ausmaß von V_d größer ist, ohne daß man durch die Referenzspannung beschränkt ist, welche auf ungefähr 0,8 V begrenzt ist.

Ausführungsform 3:

Bei der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform wird die Fläche des Halbleitersubstrats unterhalb der Gate-Elektrode auf den Anreicherungspegei derart gesetzt, daß erstens eine positive Spannung an den Trog angelegt wird, in dem die Photodiode integriert ist, oder daß zweitens die Abtastschaltung mit einer Referenzspannungsquelle versehen und die »0»-Pegel-Spannung des Abtastimpulses auf einen negativen Wert gesetzt wird. Außer über die Spannungseinstellung läßt sich praktisch das gleiche Potential wie der Anreicherungspegel derart ausbilden, daß, wie in Fig. 4 dargestellt, die Fremdstoffkonzentration der Fläche des Substrats unter der Gate-Elektrode hoch gemacht wird, um dadurch die Löcher oder Majoritätsträger zu vermehren. 50 bezeichnet eine P-Fremdstoffschicht, welche in der Oberfläche des Substrats 38 unter der Gate-Elektrode 34' ausgebildet ist und eine größere f-Fremdstoffkonzentration hat als das Substrat. Die Fremdstoffschicht 50 läßt sich einfach durch ein Ionenimplantationsverfahren nach Vollendung der Herstellung einer Source

und einer Drain und vor der Ausbildung der Gate-Elektrode ausbilden und kann ihre Fremdstoffkonzentration bei ungefähr 3 · 10¹⁵ Atome/cm³ höher als die Fremdstoffkonzentration des Substrats (üblicherweise ungefähr 10^ls Atome/cm³) eingestellt haben. Mit Erhöhung der Konzentration dieser Fremdstoffschicht kann der Ansammlungsgrad intensiviert und der Effekt der Erfindung verstärkt werden. Da jedoch ein MOST 33' bei der üblichen »!«-Pegel-Spannung (ungefähr 10 V) arbeiten muß, ist es günstig, die Schwellenspannung des MOST 33' auf unter ungefähr 2 V einzuschränken, und zweckmäßig, die Fremdstoffkonzentration auf unter ungefähr 10¹⁷ Atome/cm³ einzuschränken.

Wie oben im einzelnen in Verbindung mit den Ausführungsformen beschrieben, kann die Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung augenfällig vermindern oder vollkommen verhindern, daß Elektronen aus einer Photodiode über einen Abschnitt unter einer Gate-Elektrode in eine Drain zur Lieferung eines Ausgangssignals fließen, und zwar dadurch (i) daß eine positive Spannung an einen Trog, in dem die Photodiode integriert ist, gelegt wird oder (ii) daß die »O«-Pegel-Spannung eines Vertikalabtastimpulses auf einen negativen Wert eingestellt wird oder (iii) daß die Fremdstoffkonzentration des unter der Gate-Elektrode liegenden Abschnitts eines Vertikalschalt-MOST höher als diejenige des Substrats gemacht wird. Ferner kann, was die Herstellung der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung anbelangt, die Ausführungsform der Fig. 2 ohne weiteres nach genau dem gleichen Verfahren hergestellt werden, wie es das herkömmliche Herstellungsverfahren für Komplementär-MOS-Transistoren ist, die Ausführungsform der Fig. 3A bis 3D nach dem herkömmlichen Herstellungsverfahren für /V-Kanal-MOS-Transistoren und die Ausführungsform der Fig. 4 nach dem Herstellungsverfahren für /V-Kanal-MOS-Transistoren mit zusätzlicher Ionenimplantation oder dergleichen.

Bei den vorstehenden Ausführungsformen wurden A'-Kanal-MOSTs als die konstituierenden Elemente betrachtet. Geht man von /'-Kanal-MOSTs ais den konstituierenden Elementen aus, müssen die Leitungstypen von Fremdstoffen des Trogs, des Substrats, der Source und der Drain sowie die Polaritäten der anzulegenden Spannungen umgekehrt werden. Natürlich ist die Erfindung auch auf eine Festkörper-Abbiidungsvorrichtung anwendbar, welche eine Photodiode und einen MOST für einen photoelektrischen Wandlerabschnitt und eine BBD (bucket brigade device = Eimerketten-Schaltung) als Abtastschaltung, usw. verwendet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

29 Ol Patentansprüche:

1. Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, enthaltend eine Matrix aus im Oberflächenbereich (18) eines Halbleitersubstrats (17) angeordneten photoelektrischen Wandlerelementen (29), Vertikal- und Horizontal-Schalt-MISFETS zur Ansteuerung der Wandlerelemente, Vertikal- und Horizontal-Abtastschaltungen zum Ein- und Ausschalten der Schalt-MISFETs, und eine Einrichtung (20, 23) zur Spannungsbeaufschlagung des die Wandlerelemente (29) und die Vertikal-Schalt-MISFETs (25) enthaltenden Substratbereichs (IS), dadurch gekennzeichnet, daß an diesem Substratbereich (18) eine Vorspannung (Kor) Hegt, die gegenüber dem Null-Pegel der an den Vertikal-MISFETs (25) liegenden Steuerspannung bei /'-leitendem Substratbereich (18) positiv und bei yV-leitendem Substratbereich negativ ist. (Fig. 2)

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (29) und die Vertikal-Schalt-M ISFETs (25) in einem von den Abtastschaltungen (19, 22, 24) getrennten, mit der Vorspannung beaufschlagten Trogbereich (18) innerhalb des gemeinsamen Substrats (17) angeordnet sind. (Fig. 2)

3. Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, enthaltend eine Matrix aus im Oberflächenbereich eines Halbleitersubstrats (38) angeordneten photoelektrisehen Wandlerelementen (35'), Vertikal- und Horizontal-Schalt-MISFETs zur Ansteuerung der Wandlerelemente, Vertikal- und Horizontal-Abtastschaltungen zum Ein- und Ausschalten der Schalt-MISFETs, und eine Einrichtung (48) zur Spannungsbeaufschlagung der Gate-Elektroden (34') der Vertikal-Schalt-M ISFETs (33'), dadurch gekennzeichnet, daß an den Gate-Elektroden (34') der Vertikal-Schalt-MISFETs (33') während der Entladezeit der Wandlerelemente (35') eine Vorspannung (K_p(.._o..) liegt, die gegenüber dem Null-Pegel der an den Vertikal-MISFETs (33') liegenden Steuerspannung bei ^-leitendem Substrat (38) negativ und bei N-leitendem Substrat positiv ist. (Fig. 3)

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwert der Vorspannung höchstens 0,8 V beträgt.

5. Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, enthaltend eine Matrix aus im Oberflächenbereich eines Halbleitersubstrats (38) angeordneten photoelektrisehen Wandlerelementen (35'), Vertikal- und Horizontal-Schalt-MISFETs zur Ansteuerung der Wandlerelemente, und Vertikal- und Horizontal-Abtastschaltungen zum Ein- und Ausschalten der Schalt-MISFETs, dadurch gekennzeichnet, daß die unter den Gate-Elektroden (34') aller Vertikal-Schalt-MISFETs (33') liegenden Oberflächenbereiche (50) des Substrats (38) eine höhere Fremdstoffkonzentration haben als das übrige Substrat (Fig. 4)

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdstoffkonzentration der unter den Gate-Elektroden (34') der Vertikal-Schalt-MISFETs (33') liegenden Oberflächenbereiche (50) zwischen 3 χ 10'⁵ und 1 χ ΙΟ¹⁷ Atome/cm³ liegt.

65 Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, wie sie im Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 3 bzw. 5 angegeben ist und gemäß der deutschen Patentschrift Nr. 2847992 zum Stand der Technik gehört.

Bei einer derartigen Festkörper-Abbildungsvorrichtung besteht das Problem, daß Ladungen, die durch Photoanregung im Bereich intensiven einfallenden Licht erzeugt werden, in die Umgebung überströmen, so daß sich weiße Flecken, die die Diffusion wiedergeben, auf dem Monitor ausbreiten und vertikale weiße Streifen erscheinen. Der weiße Fleck entspricht dem Fall, daß überströmende Ladungen in die angrenzende Photodiode diffundiert sind, während der vertikale Streifen dem Fall entspricht, daß Ladungen in die Vertikalausgangsleitungen diffundiert sind. Insbesondere der Vertikalstreifen ist ein wiedergegebenes Bild, welches im tatsächlichen optischen Abbild nicht enthalten ist, und führt damit zu einem unnatürlichen Eindruck. Diese Erscheinung wird allgemein als»Blooming« (Überstrahlung) bezeichnet und stellt einen ernsten Umstand dar, der die Praktikabilität dieser Festkörper-Abbildungsvorrichtung beeinträchtigt. Beispielsweise kann die Vorrichtung nicht im Freien verwendet werden, wo die Intensität des einfallenden Lichts hoch i«t. Selbst im Inneren eines Gebäudes tritt das Blooming-Phänomen auf, wenn Metall mit einem hohen Reflexionsfaktor, ein weißer Gegenstand usw. aufgenommen werden. Deshalb ist das Anwendungsfeld stark eingeschränkt.

Als Ergebnis einer Messung an einem Flächensensor, der zu Versuchszwecken hergestellt worden ist, haben die Erfinder herausgefunden, daß das Blooming auf die im folgenden beschriebene Ursache zurückgeht. Fig. IA zeigt eine Schnittansicht eines Bildelements, welches eine Grundeinheit der Festkörper-Abbildungsvorrichtung bildet. 10 bezeichnet einen Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps (beispielsweise des P-Leitungstyps). in welchem die Elemente integriert sind. 11 bezeichnet einen Vertikalschalt-MOST, welcher aus einem Isolationsfilm 12. einer Gate-Elektrode 13, einer Source 14 und einer Drain 15 aufgebaut ist. Source und Drain sind aus Diffusionsschichten eines Fremdstoffes eines zweiten Leitungstyps (beispielsweise des N-Leitungstyps) aufgebaut. Ein Source-Übergang (W-Übergang) wird als Photodiode verwendet. Die Drain ist mit einer Aluminium-Verbindungsleitung 16 füreine Vertikalausgangsleitung verbunden.

Die Fig. IB, IC und 1 D sind zur F:g. IA gehörige

Energieband-Diagramme. In den Diagrammen betrifft ■ »C.B.« Elektronen bzw. bezeichnet das Leitungsband.

während »V.B.« Löcher betrifft bzw. das Valenzband bezeichnet.

Wenn der Schalt-MOST 11 durch einen von der Vertikalabtastschaltung gelieferten Impuls des Pegels »1« leitend gemacht wird, wird die Photodiode 14 durch die Video-Spannungsquelle 8 auf die Video-Spannung K₁. aufgeladen. Wenn der Impuls auf Pegel »0« zurückkehrt, wird die Spannung der Diode, die durch die auf dem einfallenden Licht basierenden photoangeregten Ladungsträger rückwärts vorgespannt ist, entladen. Im Anfangszustand bei Beginn der Entladung werden die Potentiale der Photodiode und der Drain in der in Fig. 1 B dargestellten Situation gehalten. Hierbei bezeichnet V_b eine eingebaute Spannung (im allgemeinen + 0,8 V oder dergleichen), welche durch den Diodenübergang bestimmt wird. y_pt-₀- bezeichnet die »0«-Pegel-Spannung des Abtastimpulses, wobei diese Spannung dem Auslege- bzw. rechnerischen Wert von 0.5 V bis