DE3227826C2

DE3227826C2 -

Info

Publication number: DE3227826C2
Application number: DE3227826A
Authority: DE
Inventors: Kaneyoshi Tokio/Tokyo Jp Takeshita; Masaharu Zama Kanagawa Jp Hamasaki
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1981-07-27
Filing date: 1982-07-26
Publication date: 1992-09-03
Also published as: FR2510308B1; JPS6329873B2; GB2103876B; FR2510308A1; JPS5819080A; CA1173544A; GB2103876A; NL8202998A; DE3227826A1; US4460912A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörper-Bildwandler, welcher mit Ladungübertragung arbeitet, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Ein derartiger Bildwandler ist aus der DE 29 30 402 A1 bekannt.

Bei Bildwandlern in Festkörpertechnik, die einen abgekürzt als CCD (von: Charge Coupled Device) bezeichneten ladungsgekoppelten Speicher aufweisen, wird grundsätzlich zwischen für Zwischenzeilenübertragung ("Interline Transfer") und für Rahmenübertragung ("Frame Transfer") ausgelegten Typen unterschieden. CCD-Bildwandler ermöglichen den Bau kompakter Bildaufnahmegeräte, wie insbesondere sehr kleiner Fernsehkameras, die sich durch niedrigen Stromverbrauch und hohe Zuverlässigkeit auszeichnen. Neben diesen Vorzügen treten bei CCD-Bildwandlern als Nachteile aber unerwünschten Überstrahlungs- und Bildverwischungseffekte ("Blooming" und "Smear") auf.

Anhand der Fig. 1 wird ein Bildwandler, der dem aus der DE 29 30 402 A1 bekannten entspricht, beschrieben.

Der in Fig. 1 in einem Ausschnitt dargestellte Bildwandler mit ladungsgekoppeltem Speicher (CCD) für Zwischenzeilenübertragung enthält in seinem Sensor- und Vertikalübertragungsabschnitt auf einem P-Halbleitersubstrat 1 eine Vielzahl von Sensorelementen in Form von als N-Halbleiterabschnitte ausgebildeten lichtempfindlichen Zonen 2 in Verbindung mit einem vertikalen Ladungsübertragungsabschnitt 3, einem Überlaufkanal 4 zum Ableiten überschüssiger Ladungen von den lichtempfindlichen Zonen 2, je einem Überlaufkontroll-Gate 5 als Potentialsperre zwischen jeder Zone 2 und dem Überlaufkanal 4, und mit Kanalbegrenzungen 6 in Form von P-Halbleiterabschnitten mit hoher Verunreinigungsdichte zur gegenseitigen Trennung benachbarter lichtempfindlicher Zonen. Abschnitte des P-Halbleitersubstrats 1 zwischen jeder lichtempfindlichen Zone 2 und dem vertikalen Übertragerabschnitt 3 bilden je einen die Ladungsübertragung steuernden Gate-Abschnitt 7.

Auf der Oberseite einer sämtliche vorgenannten Abschnitte überdeckenden Isolierschicht 8 sind jeweils oberhalb des Übertragerabschnitts 3 bzw. des Überlaufkontroll-Gates 5 bzw. der Gate- Abschnitte 7 eine Vertikalübertragerelektrode 3e, eine Überlaufsteuerelektrode 5e bzw. eine Übertragungssteuerelektrode 7e angeordnet; an diese Elektroden werden im Betrieb geeignete Vertikalübertragungs-Taktsignale und/oder Vorspannungen angelegt.

In der vorstehend erläuterten Bildwandlerausführung erzeugen und speichern die lichtempfindlichen Zonen 2 während einer Lichteinfallperiode ein von dem jeweiligen Lichteinfall abhängiges Ladungssignal, welches in Form von Ladungen auf den vertikalen Übertragerabschnitt 3 übertragen und auf diesem Abschnitt 3 in jeder Horizontalaustastperiode in vertikaler Richtung weiterbefördert wird. Dabei sind in Fig. 1 durch unterbrochene Linien eingegrenzte und jeweils durch die lichtempfindliche Zone 2, den vertikalen Übertragerabschnitt 3 bzw. den Überlaufkanal 4 verursachte Verarmungszonen Ds, Dr bzw. Do (gepunktet dargestellt). Einfallendes Licht setzt in der lichtempfindlichen Zone 2 Ladungen frei, welche durch ein in der Verarmungszone Ds vorhandenes elektrisches Feld in der Zone 2 gesammelt und als Ladungssignal gespeichert werden. Lichtanteile hv des in die lichtempfindliche Zone 2 einfallenden Lichts dringen durch die Zone 2 und die Verarmungszone Ds hindurch bis in das P-Halbleitersubstrat 1 und erzeugen dort durch photoelektrische Umwandlung zusätzlich eine Ladung E, welche anteilig in die benachbarten Verarmungszonen Dr und Do fließt und von dort in den vertikalen Übertragerabschnitt 3 und den Überlaufkanal 4 übertragen wird. Der in den Überlaufkanal 4 gelangende Anteil der Ladung E wird problemlos außerhalb des Abtast- und Vertikalübertragungsabschnitts abgeleitet. Dagegen bildet der in den vertikalen Übertragerabschnitt 3 gelangende Anteil der Ladung E eine unerwünschte Störladung, die als Störkomponente dem am Ausgang des Bildwandlers abnehmbarem Bildsignal aufgeprägt wird, und durch Verursachung des sog. Bildverwischungseffekts "Smear") die Qualität des Bildausgangssignals verschlechtert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Festkörper- Bildwandler für Zwischenzeilenübertragung zu schaffen, der den Bildverwischungseffekt nicht mehr aufweist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch angegeben.

Der Grundgedanke der Erfindung geht dahin, die lichtempfindlichen Zonen des Bildwandlers auf dem Halbleitersubstrat jeweils als Halbleiterabschnitt eines ersten Leitungstyps mit geringer Verunreinigungsdichte auszubilden, der an einen Halbleiterabschnitt eines zweiten Leitungstyps mit einer hohen Verunreinigungsdichte angrenzt, und ferner auf dem Halbleitersubstrat einen vertikalen Ladungsübertragungsabschnitt so mit einem Halbleiterbereich des zweiten Leitungstyps einzufassen, daß nur die Nutzladung des Ladungssignals, aber keine unerwünschten Ladungsanteile, die im Innern des Halbleitersubstrats entstehen, in den vertikalen Übertragungsabschnitt fließen können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf eine Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Teils eines zum Stand der Technik zählenden Zwischenzeilen-CCD-Bildwandlers,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Festkörper-Bildwandlers in einer schematischen Draufsicht,

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Ausschnitts aus dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2, und

Fig. 4A bis 4C Darstellungen von Zwischenstadien bei der Herstellung eines gemäß Fig. 2 ausgestatteten erfindungsgemäßen Bildwandlers.

Der in Fig. 2 schematisch dargestellte Festkörper- Bildwandler für Zwischenzeilenübertragung umfaßt einen aus einer Vielzahl von in horizontalen Zeilen und vertikalen Reihen angeordneten lichtempfindlichen Zonen 10, je einem vertikalen Ladungsübertragerabschnitt 11 neben jeder vertikalen Reihe sowie je einem Gate-Abschnitt 12 zwischen jeder lichtempfindlichen Zone 10 und dem zugeordneten Übertragerabschnitt 11 gebildeten Abtast- und Vertikalübertragungsabschnitt L, einen an diesen Abschnitt L angeschlossenen Horizontalübertragungsabschnitt M und einen mit dem Abschnitt M verbundenen Ausgangsabschnitt N. Während die Abschnitte M und N dem Stand der Technik ähnlich sind, zeichnet sich der erfindungsgemäße Abtast- und Vertikalübertragungsabschnitt L durch einen neuartigen Aufbau mit entsprechendem Betriebsverhalten aus.

In der in Fig. 3 dargestellten Ausschnitts-Vergrößerung aus dem Abschnitt L des Bildwandlers gemäß Fig. 2 ist über einem P-Halbleitersubstrat 13 eine zahlreiche Sensorelemente tragende N-Halbleiterschicht 13′ mit einer geringen Verunreinigungskonzentration angeordnet. Auf dieser N-Halbleiterschicht 13′ befinden sich in abwechselnder Reihenfolge die lichtempfindlichen Zonen 10 und dazwischenliegende P-Halbleiterabschnitte 13a mit einer hohen Verunreinigungskonzentration. Jedes aus einer lichtempfindlichen Zone 10 und einem P-Halbleiterabschnitt 13a bestehende Paar bildet ein Sensorelement.

Gemäß Fig. 3 sind in jeden P-Halbleiterabschnitt 13a in Form von N-Halbleiterabschnitten der vertikaler Übertragungsabschnitt 11 und in einem Abstand daneben eine Überlaufelektrode 14 zur Ableitung von überschüssigen Ladungen aus der zugeordneten lichtempfindlichen Zone 10 eingebettet. Ferner bildet jeder dieser P-Halbleiterabschnitte 13a mit einem zwischen der lichtempfindlichen Zone 10 und der Überlaufelektrode 14 liegenden ersten Teil einen Überlauf-Gatebereich 15 als Potentialsperre für die Überlaufelektrode, mit einem zwischen den Übertragerabschnitt 11 und der Überlaufelektrode 14 liegenden zweiten Teil eine Kanalbegrenzung 16 zur gegenseitigen Trennung benachbarter Sensorelemente, und mit einem zwischen der lichtempfindlichen Zone 10 und dem vertikalen Ladungsübertragungsabschnitt 11 liegenden dritten Teil den Gate-Abschnitt 12 für die Ladungsübertragung.

Die zuvor erläuterten Abschnitte der Sensorelemente sind mit einer Isolierschicht 18 bedeckt, auf der wiederum jeweils über dem Abschnitt 11 eine Vertikalübertragerelektrode 11e, über dem Gate-Abschnitt 12 eine Übertragungssteuerelektrode 12e und über dem Überlauf-Gatebereich 15 eine Überlaufsteuerelektrode 15e angeordnet sind.

Im Betrieb dieses Bildwandlers erzeugt und speichert während einer Lichteinfallperiode die lichempfindliche Zone 10 ein dem einfallenden Licht entsprechendes Ladungssignal, welches in den vertikalen Übertragungsabschnitt 11 gelangt und darin in jeder Horizontalaustastperiode in vertikaler Richtung weiterbefördert wird. Dabei sind Verarmungszonen Ds′, Dr′ und Do′ vorhanden, von denen die durch die lichtempfindliche Zone 10 verursachte Verarmungszone Ds′ (punktiert dargestellt) sich außer über die gesamte N-Halbleiterschicht 13′ mit geringer Verunreinigungskonzentration auch noch bis in den P-Halbleiterabschnitt 13a mit hoher Verunreinigungskonzentration und in einen Teilbereich des P-Halbleitersubstrats 13 erstreckt. Die durch den vertikalen Übertragungsabschnitt 11 hervorgerufene Verarmungszone Dr′ bildet eine Einfassung für den Abschnitt 11 innerhalb des P-Halbleiterabschnitts 13a, und die durch die Überlaufelektrode 14 verursachte Verarmungszone Do′ umfaßt diese Elektrode 14 innerhalb des P-Halbleiterabschnitts 13a.

Hierzu sei bemerkt, daß die N-Halbleiterschicht 13′ mit geringer Verunreinigungskonzentration speziell dafür vorgesehen ist, die Ausbreitung der durch die lichtempfindliche Zone 10 verursachten und von dem Potential dieser Zone 10 beherrschten Verarmungszone Ds′ auf breiter Fläche unterhalb der Zone 10 sowie der jeweils in den P-Halbleiterabschnitt 13a mit hoher Verunreinigungskonzentration separat eingebetteten Abschnitte 11 und 14 zu fördern und damit eine gute gegenseitige Isolierung zu erreichen.

Durch diese Anordnung wird erreicht, daß bis auf einen sehr geringen Licht-Restanteil, der durch die Schicht 13′ hindurch in das P-Halbleitersubstrat 13 eindringt, fast das gesamte in die lichtempfindliche Zone 10 einfallende Licht hv′ an der photoelektrischen Umwandlung in eine Ladung E′ innerhalb der dafür vorgesehenen Verarmungszone Ds′ teilnimmt, weil das in der Verarmungszone Ds′ vorhandene elektrische Feld alle entstehenden Ladungsanteile E′ in Richtung auf die lichtempfindliche Zone 10 ablenkt und zur Bildung des Ladungssignals heranzieht. Es können keine Teilladungen zu dem Übertragungsabschnitt 11 oder zur Überlaufelektrode 14 abfließen. Auch die durch den in das P-Halbleitersubstrat 13 gelangenden Licht-Restanteil erzeugten Ladungsanteile können nicht in die Verarmungszonen Dr′ oder Do′ abfließen, sondern werden ebenfalls gesammelt und der lichtempfindlichen Zone 10 zugeführt. Da durch dieses Merkmal der Erfindung keine ungenutzten Ladungsanteile in den vertikalen Übertragungsabschnitt 11 gelangen können, kann bei dem so ausgebildeten Bildwandler auch der gefürchtete Bildverwischungseffekt ("Smear") nicht auftreten. Durch die breit und tief über die N-Halbleiterschicht 13′ hinaus sich ausbildende und durch die lichtempfindliche Zone 10 hervorgerufene Verarmungszone Ds′ wird ein besonders guter Wirkungsgrad bei der Umsetzung des einfallenden Lichts in ein entsprechendes Ladungssignal erzielbar.

Bei der Herstellung eines Bildwandlers gemäß Fig. 3 wird zuerst das dafür vorbereitete P-Halbleitersubstrat 13, dessen Verunreinigungskonzentration etwa 5·10¹⁴ cm^-3 beträgt, von der in Fig. 4A oberen Seite her mittels Ionenimplantation bei geringer Ionendichte, die eine Dosierungsmenge von etwa 2,5·10¹² cm^-2 ergibt, und bei Langzeiterwärmung auf eine hohe Temperatur mit Phosphor-Ionen (P) dotiert und dabei die N-Halbleiterschicht 13′ erzeugt, deren Verunreinigungskonzentration etwa 10¹⁵ cm^-3 und deren Dicke etwa 2,5 µm beträgt.

Danach wird die N-Halbleiterschicht 13′ (siehe Fig. 4B) an den zur Ausbildung als lichtempfindliche Zonen vorgesehenen Stellen durch eine Maske 19 abgedeckt und der nicht abgedeckte Teil mittels Ionenimplantation mit einer eine Dosierungsmenge von etwa 3,15·10¹² cm^-2 ergebenden Ionendichte mit Bor-Ionen (B) bis zu einer Diffusionstiefe von etwa 1,5 µm dotiert, um die P-Halbleiterabschnitte 13a mit einer hohen Verunreinigungskonzentration von etwa 2·10¹⁶ cm^-3 zu formen.

Danach werden die so hergestellten P-Halbleiterabschnitte 13a (siehe Fig. 4C) nach Entfernen der Maske 19 von der Oberfläche der verbliebenen N-Halbleiterschicht 13′ an den zur Ausbildung des vertikalen Übertragungsabschnitts und der Überlaufelektrode vorgesehenen Stellen durch eine andere Maske 20 abgedeckt und die nicht abgedeckten Oberflächenbereiche der N-Halbleiterschicht 13′ und der P-Halbleiterabschnitte 13a mittels Ionenimplantation mit einer eine Dosierungsmenge von etwa 4·10¹² cm^-2 ergebenden Ionendichte und bis zu einer Diffusionstiefe von etwa 0,5 µm mit Arsen-Ionen (As) dotiert, um die lichtempfindlichen Zonen 10, den vertikalen Übertragungsabschnitt 11 und die Überlaufelektrode 14 in Form von N-Halbleiterabschnitten auszubilden, deren Verunreinigungskonzentration etwa 6·10¹⁶ cm^-3 beträgt.

Nach Entfernen der Maske 20 werden die so erzeugten verschiedenen Zonen und Abschnitte mit der durchgehenden Isolierschicht 18 überzogen und darauf die Vertikalübertragerelektroden 11e, Übertragungssteuerelektroden 12e und Überlaufsteuerelektroden 15e angeordnet, und damit ist das in Fig. 3 dargestellt Erzeugnis fertig.

Wie bei dem bekannten Bildwandler wird bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel der unerwünschte Überstrahlungseffekt ("Blooming") durch Ableitung unerwünschter Ladungsanteile von den lichtempfindlichen Zonen durch die Überlaufelektrode in Verbindung mit dem Überlauf- Gatebereich sicher verhindert. Allerdings wird beim Stand der Technik durch die Unterbringung der Überlaufelektrode mit Überlauf-Gatebereich im Bereich jedes Sensorelements der verfügbare Oberflächenteil für die lichtempfindliche Zone oder den vertikalen Übertragungsabschnitt reduziert.

Aus diesem Grund wird bei dem Bildwandler gemäß Fig. 3 angestrebt, die Überlaufelektrode 14, den unter dieser Elektrode 14 liegenden Bereich und den als Überlauf-Gatebereich 15 dienenden Bereich des P-Halbleiterabschnitts 13a so dünn auszubilden, daß auf diese Bereiche fallendes Licht hindurchdringen und mit nur geringer Absorption in die darunterliegende N-Halbleiterschicht 13′ gelangen kann. Dadurch wird eine effektive Vergrößerung der lichtempfindlichen Zone erreicht, weil so auch das auf die genannten Bereiche 14 und 15 fallende Licht in die Verarmungszone Ds′ innerhalb der N-Halbleiterschicht 13′ gelangt, an der Ladungserzeugung durch photoelektrische Umwandlung teilnimmt und zur Ausbildung des von der lichtempfindlichen Zone 10 erzeugten Ladungssignals beiträgt. Damit wird bei dem erfindungsgemäßen Bildwandler trotz durch Anordnung der Bereiche 14 und 15 scheinbar reduzierter Sensoroberfläche eine gute Lichtaufnahme- Empfindlichkeit sichergestellt.

Zur praktischen Realisierung so dünner Überlaufelektroden- und Überlauf-Gatebereiche wird vorgeschlagen, bei dem Fertigungsprozeß in dem Stadium gemäß Fig. 4B die P-Halbleiterabschnitte 13a etwa 0,5 µm dick, und in dem Stadium gemäß Fig. 4C die lichtempfindlichen Zonen 10, den vertikalen Übertragungsabschnitt 11 und die Überlaufelektrode 14 (alles N-Halbleiterschichtabschnitte) etwa 0,2 µm dick auszubilden, Anschließend werden die Überlaufelektroden 14 und die zum Überlauf- Gatebereich 15 deklarierten Stellen der P-Halbleiterschichtabschnitte 13a durch Masken abgedeckt, und in den nicht-maskierten Bereichen werden durch Diffusion von Bor-Ionen bzw. von Arsen-Ionen in die P-Halbleiterabschnitte 13a bzw. N-Halbleiterschichten die lichtempfindlichen Zonen 10 und der vertikale Übertragerabschnitt 11 geformt. Bei diesem Diffusionsprozeß werden die als Überlaufelektrode 14 und Überlauf-Gatebereich 15 dienenden Bereiche der P-Halbleiterabschnitte 13a als dünne Abschnitte, jedoch die lichtempfindlichen Zonen 10, der vertikale Übertragungsabschnitt 11 und die anderen Bereiche der P-Halbleiterabschnitte 13a als dicke Abschnitte hergestellt.

Claims

Bildwandler in Festkörper-Ausführung, mit
- - einem auf einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps ausgebildeten Sensor- und Vertikalübertragungsabschnitt
- - mit einer Mehrzahl lichtempfindlicher Zonen zum Erzeugen und Speicher eines von einfallendem Licht abhängigen Ladungssignals,
- - mit einem vertikalen Ladungsübertragungsabschnitt zum Übertragen von Ladungssignalen lichtempfindlicher Zonen in vertikaler Richtung und
- - mit einem Überlaufkanal zum Ableiten überflüssiger Ladungen aus lichtempfindlichen Zonen,
- - einem Horizontalübertragungsabschnitt zum Übertragen der von dem Sensor- und Vertikalübertragungsabschnitt übernommenen Ladungssignale in einer horizontalen Richtung, und
- - einem Ausgangsbereich zur Abgabe eines Bildausgangssignals in Abhängigkeit von durch den Horizontalübertragungsabschnitt übertragenen Ladungssignalen,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - in dem Halbleitersubstrat (13) des ersten Leitungstyps eine Halbleiterschicht (13′) des zweiten Leitungstyps mit einer niedrigen Verunreinigungskonzentration vorhanden ist,
- - in der Halbleiterschicht (13′) des zweiten Leitungstyps eine Mehrzahl von Halbleiterbereichen (13a) des ersten Leitungstyps ausgebildet ist und zwischen diesen Halbleiterbereichen die lichtempfindlichen Zonen (10) liegen und daß
- - in jedem der Halbleiterbereiche (13a) des ersten Leitungstyps voneinander getrennt sowie in Form von Halbleiterbereichen des zweiten Leitungstyps je ein vertikaler Ladungsübertragungsabschnitt (11) und Überlaufkanal (14) angeordnet sind.