DE3425243A1

DE3425243A1 - Ladungsgekoppelte lineare halbleitersensoranordnung

Info

Publication number: DE3425243A1
Application number: DE19843425243
Authority: DE
Inventors: Karl-Ernst Dipl.-Phys. DDR 1200 Frankfurt Ehwald; Eberhard Dipl.-Phys. DDR 1168 Berlin Kirstein; Burghard Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. DDR 1130 Berlin Korneffel
Original assignee: Veb Werk Fuer Fernsehelektronik Im Veb Kombinat Mikroelektronik Ddr 1160 Berlin; Werk fuer Fernsehelektronik im VEB Kombinat Mikroelektronik VEB; Werk fuer Fernsehelektronik GmbH
Current assignee: Veb Werk Fuer Fernsehelektronik Im Veb Kombinat Mikroelektronik Ddr 1160 Berlin; Werk fuer Fernsehelektronik im VEB Kombinat Mikroelektronik VEB; Werk fuer Fernsehelektronik GmbH
Priority date: 1984-07-09
Filing date: 1984-07-09
Publication date: 1986-02-06

Description

Ladungsgekoppelte lineare Halbleitersensoranordnung
Die Erfindung betrifft die Gebiete der Mikroelektronik und Optoelektronik und beinhaltet ein neuartiges Konzept für empfindliche ladungsgekoppelte Strahlungsempfänger.
Diese Sensorzeilen werden als optische flnpfänger in vielen Bereichen der Industrie in Verbindung mit modernen Industrieanlagen und -geräten der Meßtechnik, der Steuerungs-und Regelungstechnik und Automation, speziell im Werkzeugmaschinenbau und in der Robotertechnik eingesetzt. Sie erhalten Je nach gefordertem Auflösungsvermögen 256 bis 2048 Bildelemente.
Die Anwendung von CCD-Schieberegistern zum seriellen Auslesen analoger optischer Informationen ist bereits seit längerem bekannt. Üblicherweise werden als Sensorelemente hierbei CCD-Elemente mit einer lichtdurchlässigen Deckelektrode aus Poly-Si benutzt, wobei jedoch durch die Lichtabsorption innerhalb dieser Poly-Si-Elektroden, insbesondere im kurzwelligen Teil des Spektrums, die Empfindlichkeit der Anordnung stark reduziert wird.
In letzter Zeit wurden zur Verbesserung der Empfindlichkeit daher Anordnungen vorgeschlagen, bei welchen die Sensorelemente durch Photodioden gebildet werden, welche z. B. über ein getaktetes Koppelgate oder über eine Kom- bination eines getakteten Koppelgates mit einem statisch betriebenen Abschirmgate an das Schieberegister angeschlossen sind oder welche über ein statisches Gate zunächst mit besonderen Ladungsspeichergebieten verbunden sind, welche wiederum auf übliche Weise mit einem getakteten Koppelgate an das Schieberegister angekoppelt werden.
Den letztgenannten Varianten mit diffundierten oder implantierten Fotodioden (n+-Gebieten bei n Silicon-Gate-Technologie) sind folgende Nachteile gemeinsam: 1. Bei der Übertragung von zeitlich sich schnell verändernden kleinen Signalen kann eine zeitliche "Verschmierung" der Signaländening über mehrere Äbtastperioden auftreten, insbesondere bei kurzen Lichtintegrationszeiten und relativ großer Sensorkapazität. Ursache hierfür ist die exponentielle Übertragungscharakteristik eines MOS-Transistors im Bereich sehr kleiner Ströme (sog.
~Subthresholdbereich n ) .
Beispielsweise tritt bei derartigen optischen CCD-Sensoranordnungen für den Fall einer plötzlichen Beleuchtungsänderung von absoluter Dunkelheit auf einen Wert von 0,5 %0 des Maximalsignals bei einer Lichtintegrationszeit von 1 ms eine "Verschmierung" des Beleuchtungssprunges über mehr als 3 Abtastperioden auf, wenn für die Photodiodensensoren ein Dunkel strom von 1 nA/cm2, eine mittlere Raumladungstiefe von 3 /um und ein maximaler Spannungshub von 5 V vorausgesetzt wird.
Die Verhältnisse werden noch wesentlich ungünstiger, wenn die CCDvAnordnung zur Senkung des Dunkel stromes gekühlt oder wenn die Sensorkapazität größer wird als die Kapazität der Speicherelektroden im Schieberegister.
Praktisch kann bei Anwendung der genannten Sensorelemente aus obigen Gründen der große Dynamikbereich einer CCD-Anordnung (1 : 500 bis 1 : 1000) bereits bei normalen Betriebsbedingungen nicht voll ausgenutzt werden.
2. Die n+-Gebiete der Sensorelemente sind empfindlich gegenüber Influenzladungen äußerer elektrischer Felder, so daß optische Signale durch äußere elektrische Störungen vorgetäuscht werden können, z. B. durch bewegte statisch aufgeladene Körper.
3. Wenn die Herstellung der n+-Gebiete im Sensorbereich gleichzeitig mit der Herstellung der Source-Drain-Gebiete erfolgen soll, ist im Allgemeinen ein Kompromiß im Hinblick auf die Empfindlichkeit bei kurzwelligem Licht erforderlich, da zur sicheren Kontaktierung der Source-Draingebiete eine relativ große Eindringtiefe derselben benötigt wird. Damit kann die Ausbildung einer störenden ~toten Schicht" in der Nähe der Oberfläche, innerhalb derer die optisch angeregten Minoritätsträger rekombinieren, ohne zum Signaistrom beizutragen, kaum vermieden werden.
4. Da im Gegensatz zu CCD-Sensorelementen mit Deckelektrode eine völlige Verarmung der n+-Gebiete an Elektronen unmöglich ist, können durch Schwankungen der Taktamplitude am Photokoppelgate unterschiedliche Ladungsmengen ins Schieberegister übernommen werden, wodurch ebenfalls Störsignale entstehen.
Zu deren Unterdrückung ist ein zusätzliches statisches Gate erforderlich, wodurch insbesondere bei CCD-Matrixanordnungen die mögliche Packungsdichte der Sensorelemente begrenzt wird.
5. Die Kapazität/Flächeneinheit bei n+ Sensorelementen wird durch den Wegfall der Kapazität zur Deckelektrode wesentlich verringert, wodurch bei Atatrizanordaungen wiederum der Dynamikbereich eingeschränkt wird.
In letzter Zeit sind Anordnungen bekannt geworden, bei denen CCD-Zellen mit vergrabenem Kanal im Halbleiteroberflächenbereich mit einer dünnen Inversionsschicht über deckt sind, wobei diese Inversionsschicht das Halbleiterinnere gegen äußere elektrische Felder abschirmt. Diese Inversionsschicht wirkt wie eine scheinbare Elektrode, man nennt sie eine ~Virtual Phase". Diese Anordnungen bedürfen keiner Deckelektrode, man kann in einer solchen CCD-Zelle mit "Virtual Phasen Ladungsträger durch Bestrahlung generieren lassen, sie kann als Fotosensor arbeiten. In einer Anordnung mit ~Virtual Phase" treten Jedoch im unmittelbar an die Inversionsschicht angrenzenden Bereich hohe elektrische Feldstärken auf, da in der CCD-Zelle die Potentialmulde eine gewisse energetische Mindesttiefe besitzen muß und damit zwischen der Potentialmulde und der Inversionsschicht, welche auf Substratpotential liegt, merkliche Potential differenzen in der Größenordnung von 10 eV auftreten.
Die für Avalanchegeneration im Silizium kritische Feldstärke liegt bei 3 . i05 V/cm, dieser Wert darf nicht überschritten werden. Dadurch sind der Dimensionierung von CCD-Zellen mit "Virtual Phase" relativ enge Grenzen gesetzt, das eingebrachte Dotierungsprofil unterliegt Einschränkungen (gegenüber CCD-Zellen mit Deckelektrode).
Das Ziel der Erfindung besteht darin, die im vorigen Abschnitt genannten Einschränkungen und Nachteile, die mit den bekannten technischen Lösungen verbunden sind, weitgehend zu vermeiden.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine ladungsgekoppelte Halbleitersensoranordnung zu schaffen, welche eine hohe Licht empfindlichkeit im kurzwelligen Bereich des Spektrums (oder eine hohe Empfindlichkeit gegenüber einer anderen Strahlung mit geringer Eindringtiefe im Si), einen großen Dynamikumfang bei guter zeitlicher Auflösung im reich kleiner Signale, die Möglichkeit einer totalen Ladungsextraktion aus dem Sensorbereich, sowie eine große Kapazität pro Flächeneinheit aufweisen und dabei unempfindlich gegenüber äußeren Störfeldern und kleinen Schwankungen der Taktamplitude sind. Weiterhin ging es darum, den Transfer der Ladung aus den Sensorelementen in die CCD-Schieberegister in kürzester Zeit zu ermöglichen, wobei die geforderte Phasenlage zwischen den angewandten Steuerimpulsen einfach und unkompliziert bleibt und Zusatzfunktionen, wie z. B Weißwertgenerierung, voll erfüllt werden.
Erfindungsgemäß werden die genannten Ziele durch Anwendung eines neuartigen Typs von Sensor-Elementen, einer speziellen, auf dem Chip integrierten elektronischen Schaltung sowie eines speziellen Eingangsteils der CCD-Schieberegister erreicht.
Ein Kerngedanke dieser Erfindung ist es, das Sensorelement zu unterteilen in einen Speicherteil und in den eigentlichen strahlungsempfindlichen Teil, wobei dieser letztere Teil kein CCD#Element und keine Fotodiode darstellt.
Im weiteren Teil dieser Erfindungsbeschreibung wird dieser spezielle strahlungsempfindliche Teil als ~vergrabener Fotosensor" bezeichnet.
Der ~vergrabene Fotosensor" wird aus einem Substratgebiet gebildet, in dem eine Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp eingebracht wird; wobei diese Dotierungszone sowohl in lateraler Richtung als auch in vertikaler Richtung zur Oberfläche hin, durch Kanal-Stopper-Gebiete begrenzt wird.
Das die Dotierungszone überdeckende Kanal -Stopp er-Gebiet hat eine Eindringtiefe, die merklich kleiner ist als die vertikale Ausdehnung der Dotierungszone.
Die in dieser Dotierungszone verbleibende Gesamtmenge an nicht kompensierten Dotierungsatomen des zum Substrat umgekehrten Leitungstyps wird so gering gehalten, daß in der Dotierungszone, wenn diese völlig von freien Ladungsträgern verarmt wird, der sich herausbildende Extremwert des elektrostatischen Potentials einen nur kleinen Wert (bezogen auf Substratpotential) erreicht (der Wert wird meistens im Bereich von 0,6 eV - 3 eV liegen), wobei das elektrostatische Potential tief im Substrat sowie in der die Dotierungszone überdeckenden Ranal-Stopper-Schicht den Bezugswert des Substrat-Potentials erreicht. Die so entstandene Potentialmulde ist in ihrer Tiefe energetisch zu klein, um selbständig merkliche Ladungsmengen zu speichern.
Der Extremwert des Potentials ist energetisch zu gering vom Substrat-Potential entfernt, als daß mit dieser Anordnung irgendein praktisch nutzbarer Koppel- oder Tranevierkanal zwischen zwei Ladungsspeichergebieten realisiert werden könnte. Die Anordnung des "vergrabenen Fotosensors" ist somit weder erklärbar noch vergleichbar mit bekannten CCD-Element-Konstruktionen.
Die Anordnung des "vergrabenen Fotosensors# dient ausschließlich der Generierung von elektrischer Ladung durch einfallende Strahlung. In dieser Funktion hat der ~vergrabene Fotosensor" vorzügliche Eigenschaften. Die laterale Begrenzung des vergrabenen Fotosensora" kann durch genügend tief eingebrachte Kanal-Stopper-Gebiete erfolgen.
Insbesondere ist es möglich, die Dotierungszone im ~vergrabenen Fotosensor" bei ihrer Einbringung nur auf den geometrischen Bereich des "vergrabenen Fotosensors" (und des Speicherteiles) zu beschränken. Dann genügt zur Strukturierung der ~vergrabenen Fotosensoren" das großflächig eingebrachte, die Dotierungszone überdeckende Kanal-Stopper-Gebiet. Während dieses Kanal-Stopper-Gebiet zu- sammen mit der Dotierungszone und dem darunterliegenden Substrat den Wergrabenen Fotosensor" formt, wirkt es in den Gebieten ohne Dotierungszone, wo es direkt das Substratgebiet überdeckt, als normales Kanal-Stopper-Gebiet.
Da die energetische Tiefe der Potentialmulde im ~vergrabenen Fotosensor" klein ist, entstehen im Bereich unmittelbar unter der die Dotierungszone überdeckenden Kanal Stopper-Schicht keine für die Entstehung einer Avalanchegeneration kritischen elektrischen Feldstärken.
Die Oberfläche des ~vergrabenen Fotosensors" derart infolge des die Dotierungszone überdeckenden Kanal-Stopper-Gebietes nicht.
Dadurch gibt es keine Oberflächengeneration, die für ein normales CCD-Element die Hauptkomponente des Dunkelsignales bildet.
Der wwergrabene Fotosensor" zeichnet sich somit durch geringsten Dunkelstrom aus.
An den ~vergrabenen Fotosensor" schließt sich unmittelbar ein Speichergebiet an. Dieses Speichergebiet ist als bekanntes CCD-Speicherelement ausgeführt, bevorzugterweise als CCD-Element mit vergrabenem Kanal. Dieses Speichergebiet besteht aus einem Substratgebiet, in dem eine Dotierungazone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp eingebracht wird. Diese Dotierungszone reicht von der Oberfläche bis in eine gewisse Tiefe. An die Oberfläche des Halbleiters schließt sich (in vertikaler Richtung) eine Isolatorschicht an, die ihrerseits von einer Elektrode, z. B.
aus einer 1. polykristallinen Si-Schicht bestehend, bedeckt wird. Werden über einen angekoppelten Ladungstransportkanal aus der Dotierungszone des Speicherteiles sämtliche freien Ladungsträger abtransportiert, so bildet sich ein Verlauf des elektrostatischen Potentials heraus, wie er für CCD-Elemente mit vergrabenem Kanal typisch ist.
Das Potential erreicht im Inneren der Dotierungszone einen Extremwert. Vom Extremwert ausgehend, nähert es sich in Richtung Substrat dem Substratpotential, in Richtung Deckelektrode dem Potential dieser. Der Extremwert des Potentials im (verarmten) Speichergebiet und somit die Tiefe der Potentialmulde hängt vom Dotierungsprofil, von der Isolatordicke und vom Potential der Deckelektrode ab. Erfindungsgemäß werden die Parameter so gewählt, daß dieser Extremwert wesentlich größer als Jener vom vergrabenen Fotosensor" ist. Die freien Ladungsträger aus der Dotierungszone des ~vergrabenen Potosensors n fließen somit in den Speicherteil und werden aus diesem über den angekoppelten Ladungstransportkanal abtransportiert, die Dotierungszone des vergrabenen Fotosensors11 ist ständig an freien Ladungsträgern verarmt.
Der ~vergrabene Fotosensor" bedarf keiner ihn überdeckenden Elektrode. Es entfallen dadurch sämtliche solchen Elektroden anhaftenden Verluste infolge teilweiser Absorption der auftretenden Strahlung. Bei Bestrihlung mit Licht wird eine ausgezeichnete Blauempfindlichkeit erreicht. Sämtliche im nvergrabenen Fotosensor" generierten Ladungsträger fließen kontinuierlich in den Speicherteil des Sensors und werden dort gesammelt. Die Verarmungszonen und die damit verbundenen elektrischen Felder im 'vergrabenen Fotosensor" ändern sich dadurch während der Lichtintegrationsperiode praktisch nicht, so daß die Ladungssammeleffizienz des ~vergrabenen Fotosensors" unabhängig von der einfallenden Lichtmenge ist. Dadurch wird eine exzellente Linearität zwischen Lichtmenge und im Speicherteil gesammelter Signalladung erreicht.
Aus dem Speicherteil werden unbeeinflußt von eventuellen Schwankungen der Betriebsspannungen am Bauelement (z. B.
Uberiagerter "Netzbrumm") sämtliche gesammelten Ladungen über das der kopplung dienende Transfergebiet in das CCD-Schieberegister abtransportiert, wenn die Wahl der BU-triebsspannungen derart erfolgt, daß, bei geöffnetem Transfergebiet, die potentielle Energie im Speichergebiet des CCD-Registers niedriger ist als im völlig von Ladungsträgern entblößten Speicherteil des Sensors.
Dadurch erfolgt keine zeitliche ~Verschmierung" der Signale änderung über mehrere Abtastperioden bei der Übertragung von sich zeitlich schnell veränderten kleinen Signalen, wie sie bei bekannten Sensoren ohne Deckelektrode in der Ausführung als einfache Dotierungsschicht vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp (Photodiodentyp) erfolgt.
Die zum konstruktiven Aufbau des ~vergrabenen Potosensors"' gehörende obenliegende Kanal-Stopper-Schicht schirmt, neben ihrer Funktion zur Einstellung des inneren Potentialverlauf es, gegen äußere elektrische Felder ab, so daß diese, im Gegensatz zu Sensoren des Fotodioden-Typs, keine Störsignale hervorrufen können.
Durch die Aufteilung des Sensors in einen Speicherteil und den ~vergrabenen Fotosensor erreicht man eine räumliche Trennung zwischen Lichteinfallsgebiet und CCD-Schieberegister, welche vorteilhaft zur Vermeidung von optischer Uberkopplung ins Schieberegister ist.
Falls die durch das Vorhandensein des Speicherteiles geschaffende Distanz nicht ß genug ist kann man in einsucher Weise die räumliche Trennung vergrößern. Es genügt, nur ein Teilgebiet des ~vergrabenen Fotosensors" zu bestrahlen und die restlichen Gebiete des Sensors mit einer lichtundurchlässigen Schicht abzudecken. Der nicht bestrahlte Teil des nvergrabenen Fotosensors" dient dann als Transportkanal vom bestrahlten Teilgebiet zum Speicherteil des Sensors.
Die Dotierungszonen mit zum Substrat umgekehrten Leitungstyp im "Vergrabenen Fotosensorn und im Speicherteil können in einer gemeinsamen technologischen Schrittfolge als zunächst einheitliches Gebilde eingebracht werden, da erfindungsgemäß beim "vergrabenen Fotosensor" die die Dotierungszone überdeckende Ranil-Stopper-Schicht gewollt eine gewisse Eindringtiefe erreicht (und nicht etwa nur eine extrem dünnen Oberflächenschicht bildet) und somit einen Teil der ursprünglich eingebrachten Störstoffatome der Dotierungszone kompensiert. Mit größer werdender Eindringtiefe (bei einem Implantationsprozeß direkt über die Implantationsenergie steuerbar) verringert sich die Tiefe der Potentialmulde des an freien Ladungsträgern verarmten "vergrabenen Potosensors n. Es ist dadurch technologisch kein Problem, die benötigten kleinen Potential-Extrem-Werte im ~vergrabenen Fotosensor" zu realisieren.
Die Gesamt dosis des die Dotierungszone überdeckenden Kanal-Stopp er- Gebietes wird nicht größer als für die gewollten Effekte notwendig gewählt, um das Entstehen von auf die Fotogeneration bezogenen noten Schichten" zu vermeiden. Von einer ~toten Schicht" spricht man, wenn die Lebensdauer der iotogenerierten Ladungsträger in solch einer Schicht extrem kurz wird (z. B. bei Dotierungskonzentrationen an der Oberfläche von größer 1o20 cm 3), so daß praktisch alle generierten Ladungsträger wieder rekombinieren, bevor sie das eigentliche Ladungssammelgebiet erreichen (zur Problematik "tote Schicht" siehe DDR-Patentanmeldung WP H ol L/122154).
Durch die realisierte geringe Tiefe der Potentialmulde im Sensorteil bedarf es auch im Speicherteil keiner extrem tiefen Potentialmulden, um eine für praktische Fälle ausreichende Speicherkapazität zu erreichen. Man darf davon ausgehen, daß die Differenz der Potential-Extremwerte zwischen dem an freien Ladungsträgern verarmten ~vergrabenen Fotosensor" und dem Speicherteil in den meisten prakti- schen Anwendungen nicht allzu groß gewählt wird, die Divierenzpotentiale werden in der Mehrzahl der Fälle Werte von 5 - 7 eV nicht überschreiten. Dazu ist es oft schon ausreichend, die Deckelektrode des Speicherteiles auf Substratpotential zu legen.
Der an den Speicherteil angekoppelte Ladungstransportkanal besteht aus einem 2-Phasen-CCD-Reglster mit sich überlappenden Elektroden. Während eine 1. Elektrodenebene die Speichergebiete überdeckt, kontrolliert eine 2. Elektrodenebene die Transfergebiete.
Die eigentliche Kopplung der Sensoren an das CCD-Register geschieht über einen mit einem speziellen Taktimpuls gesteuerten Transferbereich, der zwischen Speicherteil und CCD-Register angeordnet ist.
Die ladungsgekoppelte Sensorzeile wird dann besonders einfach in Konstruktion und Herstellung, wenn die Signalladung aus dem Speicherteil des Sensors (über das der Kopplung dienende Transfergebiet) in das Speichergebiet des CCD-Schieberegisterelementes fließt.
Um nicht mehr als zwei Elektrodenebenen benutzen zu müssen, wird auch die das Kopplungs-Transfergebiet überdeckende Elektrode mittels der gleichen 2. Elektrodenebene, aus der die CCD-Regist ertransferel ektro den hergestellt sind, realigiert. Die dann aus konstruktiven Gründen entstehende Verlängerung des CCD-Registerspeichergebietes über den eigentlichen CCD-Transportkanal hinaus wird durch seitlich geführte Kanal -Stopper Gebiete erfindungsgemäß soweit eingeengt, daß auf Grund des Wlrkene der elektrostatischen Streufelder (das Potential hat im Kanal-Stopper-Gebiet Substratwert) der Extremwert des Potentials im von freien Ladungsträgern verarmten Kanal in der Verlängerungszone kleiner ist als im eigentlichen CCD-Transportkanal. Dadurch entsteht ein Driftfeld, daß die Signalladungsträger aus der Verlängerungszone in den eigentlichen CCD-Transportkanal treibt. Somit wird ein Transferverlust im CCD-Schieberegister vermieden.
Der Ladungstransfer vom Sensor in das CCD-Register soll vollständig in kürzester Zeit erfolgen, man möchte im praktischen Betrieb das CCD-Register zum Zwecke dieses Transfer nicht ~anhalten", die Taktung des CCD-Registers erfolgt bis zur maximalen Einsatz frequenz (typischer Maximalwert: 10 MHz) kontinuierlich.
Um das zu realisieren, bedarf es eines sorgfältig kontrollierten Transferimpulses zur Steuerung des der Kopplung dienenden Trsnaierbereiches. In bekannten Lösungen werden solche Impulse von einem externen Taktgenerator bereitgestellt.
In der hier vorgeschlagenen ladnngsgekoppelten Halbleitersensoranordnung wird erfingwigsgemäß als Transferimpuls einer der kontinuierlich anliegenden Taktimpulse durch eine spezielle elektronische Schaltung ausgewählt und an das der Kopplung dienende Transiergate gelegt. Dadurch, daß Transferimpuls und Takt impuls dem gleichen Takttreiber entstammen, gibt es keine Probleme betreffs der Phasenlage, und ein sicherer Transfer der Signalladung aus dem Sensor in das CCD-Register ist gewährleistet.
An den extern bereitzustellenden Auslö.seimpuls werden keine komplizierte Forderungen betreffs Phasenlage gestellt.
Die Auswahl eines Taktimpulses zur Nutzung als Transferimpuls geschieht über eine Gegentaktstufe, welche aus zwei in Reihe geschalteten MOSPETs besteht. Der Auslöseimpuls wird an das Gate des einen Transistors und der über einen auf dem Chip integrierten Inverter invertierte Auslöseimpuls an das Gate des anderen Transistors gelegt. Eine Seite der beiden in Reihe geschalteten MOSFEI's wird mit Substrat verbunden. Die andere Seite wird nicht, wie in solchen Gegentaktschaltungen üblich, mit einer DC-Spannung gespeist. An die andere Seite werden erfindungsgernäß direkt die Uaktimpulse gelegt. Am Verbindungspunkt beider Transistoren wird der erzeugte Transferimpuls abgenommen.
Die hier vorgeschlagene ladungsgekoppelte Halbleitersensoranordnung wird erfindungsgemäß mit einer speziellen, auf dem Chip integrierten elektronischen Schaltungsanordnung am Eingang des Schieberegisters versehen. Diese elektronische Schaltungsanordnung ermöglicht die Eingabe von Weißsignalen, welche eine definierte Pegelhöhe haben und damit als Bezugspegel.für die Höhe der in den Sensorgebieten erzeugten Signalladungen dienen. Außerdem wird durch diese elektronische Schaltungsanordnung die Eingabe von analog-elektrischen Signalen ermUglicht. Diese Schaltungsanordnung am Eingang des Schieberegisters ist derart konzipiert, daß das zu erzeugende Weißsignal mit dem gleichen Transfertakt entsteht, wie er für die Ubertragung der Signalladungen aus dem Sensorteil in das Schieberegister notwendig ist und in oben beschriebener Weise auf dem Chip erzeugt wird.
Die Schaltungsanordnung zur Erzeugung des Weißsignales besteht aus einem n+-Gebiet und einem Ladungstransportkanal, wie er für ladungsgekoppelte Bauelemente üblich ist. Der Ladungstransport vom n -Gebiet in den Transportkanal wird durch eine Folge von drei von sich Uberlappenden Eingabe-Elektroden gesteuert, da die Ladungen in ein Speichergebiet des typischen o. g. 2-Phasen-CCD-Registers mit sich überlappenden Elektroden gelangen. Diese drei Eingabe-Elektroden bestehen in Richtung des Ladungstransportes aus einer Elektrode der zweiten Ebene, einer Elektrode der ersten Ebene und schließlich einer Elektrode der zweiten Ebene. Der Reihe nach kontrollieren sie also ein Transfer-, ein Speicher- und wieder ein Uransiergebiet.
Die ersten beiden Eingabe-Elektroden werden mit dem bereita oben beschriebenen Transfertakt gesteuert. Bei Jedem Transfertaktimpuls wird das Speichergebiet der zweiten Elektrode aus dem n+-Gebiet, welches an einer konstanten Gleichspannung liegt, mit Ladungsträgern gefüllt. Dieses Speichergebiet beinhaltet das einzugebende Weißsignal. An der dritten Eingabe-Elektrode liegt ein weiterer Taktimpuls, der bezüglich zum Transport takt des CCD-Register invertiert ist und in seiner Pegelhöhe so die Barriere unter diesem Transfergate steuert, daß kein Ladungstransport in das CCD-Register möglich ist, wenn die Abfallflanke des Transfertaktimpulses zeitlich vor der Anstiegsflanke des Transporttaktimpulses liegt. Dadurch wird verhindert, daß die eingegebenen Weißsignale ~vorlaufen", d. h. nicht nur in das erste Speichergebiet des CCD-Registers laufen, sondern gleich in das zweite darauffolgende, welches noch in Speicherbereitschaft steht.
Erst wenn an der dritten Elektrode die Barriere erniedrigt wird, wird gleichzeitig vor dem zweiten Speichergebiet des CCD-Registers eine Barriere erzeugt, so daß die Weißaignalladung nur wie gewUnscht bis zum ersten Speichergebiet des CCD-Registers gelangt.
Die Schaltungsanordnung zur Erzeugung der elektrischen Änalogsignale besteht ebenfalls aus einem n+-Gebiet und einem Ladungstransportkanal, wobei das n+-Gebiet mit dem für die Weißsignaleingabe verbunden ist. Der Ladungstransport vom n+-Gebiet in den Kanal wird durch zwei aneinander gereihte Eingabe-Elektroden gesteuert.
Darauffolgend fließen die Ladungen in ein erstes Speichergebiet des CCD-Registers, wobei diese Eingabestelle an einer anderen Stelle des CCD-Registers liegt als die für die Weißsignaleingabe. Die beiden Eingabeelektroden für die Erzeugung von elektrisch-analogen Signalen bestehen in Richtung des Ladungstransportes aus einer Elektrode der zweiten Ebene, die an einer statischen Gleichspannungsquelle liegt und einer zweiten Eingabeelektrode der ersten Ebene, an die eine veränderliche Signalapannung (Analogsignal) gelegt werden kann. Die Höhe der Steuerpegel für die beiden ersten Eingabeelektroden wird so gewählt, daß unter der ersten Elektrode im Kanal ein Transfer- bzw.
Barrierengebiet und unter der zweiten Elektrode ein Speichergebiet entsteht. Wird im Gegensatz zur Weißsignaleingabe das n+-Gebiet nicht mit einer Gleichspannung belegt, sondern mit einer Impulsspannung, die synchron mit dem Transporttakt des CCD-Registers gesteuert wird, so fließen Ladungen über das Transfergebiet in das Speichergebiet unter der zweiten Eingabeelektrode.
Die Phasenlage der das n -Gebiet steuernden Impulse gegenüber dem Transporttakt des CCD-Regiitexs muß so liegen, daß in dieser Zeit sich eine hohe Barriere vor der ersten Speicherelektrode des CCD-Registers befindet und keine Ladungen dorthin gelangen können. Das ist notwendig, damit alle überschüssigen Ladungen, die über dem Barrierenniveau der ersten Eingabeelektrode liegen, auf das Grundniveau des n+-Gebietg zurüokfließen können Die Höhe der Ladungen menge für das elektrisch-analoge-Signal wird durch die Differenz der Kanalniveaus unter der ersten und zweiten Eingabeelektrode bestimmt.
Die unter der zweiten Eingabeelektrode im anal befindlichen Signalladung wird anschließend über ein Transfergebiet in das erste Speichergebiet des CCD-Registers transportiert, wobei dieses Transfer- und Speichergebiet durch den entsprechenden Transporttakt des Registers gesteuert wird.
Erfindungsgemäß wird entsprechend der gegebenen 3eschreibung der Schaltungsanordnung für die Weißsignaleingabe und für die Eingabe der elektronisch-analogen Signale durch diese besondere Wahl der Elektrodenfolgen (Transfer- und Speicherelektroden) und ihren Anschlußbelegungen,der der Einkoppelstellen der Signale indas gemeinsame CCD-Register sowie der gesamten horizontalen geometrischen Dimensionierung sichergestellt, daß am ladun#sgekoppelten Sensorbauelement beide Betriebsfunktionen sowohl Weißsignaleingabe als auch elektrische Analogsignaleingabe ermöglicht werden, ohne daß gegenseitige Störungen auftreten unter den notwendigen Betriebsbedingungen angelegte St euersp annungen) einschließlich der ordnungsgemäßen Steuerung des Tranßporw tes der durch fotogeneration erzeugten Ladungen aus den Speichergebieten der Sensorgebiete in das CCD-Register.
Die zweite Eingabeelektrode in der Schaltungsanordnung für die Eingabe der elektrisch analogen Signale ist mit einem hochohmigen MOSFET-Widerstand, welcher mit auf dem Chip integriert ist, mit Substratpotential verbunden. Damit wird gewährleistet, daß für den Fall, wenn diese Eingabeelektrode für die Steuerung der elektrisch-analogen Signale nicht belegt ist, das Potential daran sull ist und eine entsprechend hohe Barriere im Kanal erzeugt wird.
Somit können keine störenden Ladungen über diesen Eingabekanal in das Register fließen, wenn nur Weißsignale eingegeben werden sollen. Die erfindungsgemäße elektronische Schaltungsanordnung am Eingang des CCD-Registers einer ladungsgekopp el t en Halbl eitersensoranordnung hat somit folgende Vorteile: - Insbesondere ist die Schaltungsanordnung so konstruiert, daß die Weißsignaleingabe mit den gleichen Transfertakt erfolgt wie der Transport der Sensorladungen aus dem Speichergebiet des Sensors in das CCD-Register, d. h.
daß der Transfertaktimpuls in Phase mit dem Transporttakt des CCD-Registers sein muß. -- Durch die Einfügung der dritten Eingabeelektrode in die Schaltungsanordnung für die Weißsignaleingabe wird sichergestellt, daß sich die Abfallflanke des Transfertaktimpulses zeitlich vor der Abfallflanke des Trans- porttaktes befinden kann und damit ein ~Verlaufen" des Weißsignales vermieden wird.
- Weißsignal- und elektrisch-analoge Signaleingabe können aus einem gemeinsamen n+-Gebiet gesteuert werden, ohne daß bei der Betriebsart für die Erzeugung von elektrisch-analogen Signalen Störsignale über den Kanal für die Weißsignaleingabe einfließen können, da in dieser Betriebsart der Anschluß für den Transfertaktimpuls auf Nullpotential gelegt wird und daher immer eine ausreichend hohe Barriere unter dem ersten Eingabegate der Weißsignaleingabeanordnung liegt.
Darüber hinaus ist es möglich in das CCD-Register des ladungsgekoppelten Bauelementes Weißsignale und elektrisch-analoge Signale gleichzeitig einzugeben, da die Steuerimpulse am'n -Gebiet, die für die Eingabe der elektrisch-analogen Signale notwendig sind, am Eingang fUr die Weiß signale zu keiner Ladungseingabe führen, da entsprechend der Phasenlage bei Jedem Impuls am n+-Gebiet eine hohe Barriere unter der ersten bzw. der dritten Eingabeelektrode vorhanden ist.
Mittels der elektronischen Schaltungsanordnung zur Eingabe der elektrisch-analogen Signale ist es möglich, spezielle elektrische Prüfsignale, mittels dieser der Ladungsverlust des CCD;Schieberegisters exakt bestimmt werden kann, einzugeben.
Darüber hinaus ist es möglich die Anwendungsmöglichkeit der ladungsgekoppelten Sensorzeile beträchtlich zu erweitern.
Durch Steuerung des elektrisch-analogen Einganges ist es z. B. möglich, den optischen Signalen Prüfsignale zu überlagern, die als Markierungen zum Ausmessen oder Auszählen des optischen Bildaignaleß benutzt werden können.
Mittels des elektrisch-analogen Signaleinganges kann das CCD-Register als Schieberegister und Verzbgerungßleitung genutzt werden, wobei der optische Sensorteil nicht betrieben wird.
Im Ausführungsbeispiel werden Aufbau und Funktion einer ladungsgekoppelten Ralbleitersenscranordnung gemäß vorliegender Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben.
In den Zeichnung bedeuten: Fig. 1a Querschnitt durch den Sensor mit angekoppeltem CCD-Schieberegister Fig. lb Potentialverlauf im Sensor Fig. 2 Potentialverlauf im vergrabenen Fotosensor Fig. 3 Potentialverlauf im Speicherteil Fig. 4 Draufsicht auf den Sensor mit CCD-Register Fig. 5a Weiß signal erz eugung Fig. 5b Kanalpotentialverlauf Fig. 50 Diagramm der Ansteuerspannungen für die Weißsignal eingabe Fig. 6a elektrisch-analoge Signal eingabe Fig. 6b Kanalpotentialverlauf Fig. 6c Diagramm der Ansteuerspannungen für die elektrisch-analoge Signaleingabe Pig. 7 Draufsicht auf den Eingangsteil Fig. 8a Schaltungsanordnung zur Erzeugung des Transferimpulses #Xout Fig. 8b Pig. 8c Fig. 8d Impulsbeziehungen zwischen #x und al Fig. 1a zeigt einen Quershnitt durch den Sensor nebst angekoppeltem CCD-Schieberegister (Die Transportrichtung des CCD-Schieberegisters wäre senkrecht zur Papierebene).
Auf die Funktion des CCD-Schieberegisters wird nicht näher eingegangen, da ein solches Register nicht Gegenstand dieser Erfindung ist.
Fig. lb zeigt schematisch die Potentialverhältmißae im Sensor.
Das #sführungsbeispiel geht von einem p-leitenden Substrat aus. Selbstverständlich sind alle Gedanken dieser Erfindung gleichfalls für ein Substrat anwendbar.
Weiterhin wird als Basistechnologie diejenige für ein 2-Phasen-CCD mit implantierten Barrieren betrachtet. Selbstverständlich sind auch andere Technologien möglich.
Das p-leitende Substrat 1 ist mit dem Gateisolator 5 und in den nicht aktiven Gebieten mit dem Feldisolator 8 über zogen. Unter den Feldisolatorgebieten 8 ist eine "Kanal-Stopper"-Dotierung 7 eingebracht. Selbstverständlich sind statt der Gebiete 7 und 8 auch mit anderen Methoden hergestellte ~Kanal-Stopper"-3ereiche anwendbar. Die Strukturierung des "vergrabenen Potosensorsw (in lateraler Richtung) erfolgt durch ein über eine Lackniaske implantiertee ~Kanal-Stopper"-Gebiet 2. Diese Implantation erfolgt kurz vor der Beschichtung mit der 1. Elektrodenebene (poly-Si), danach erfolgen im technologischen Prozeß keine wesentlichen Hochtemperaturschritte. Dadurch ist die Ausdiffusion des nEanal-Stoppern-Implaates gering, und man erreicht mühelos ein kleines Raster der vergrabenen Fotosensoren.
Selbstverständlich kann die Strukturierung des ~vergrabenen Fotosensors" auch durch die oben erwähnten Gebiete 7 und 8 oder über durch andere Methoden hergestellte ~Kanal-Stopper ~-3ereich erfolgen.
Der n-Dotand für das ~buried-channel#Gebiet" 6 wird über eine Implantation eingebracht, und anschließend in die Tiefe diffundiert, wobei durch den Dickenunterschied Gateisolator/Feldisolator eine Selbst Justierung auf die aktiven Gebiete erreicht wird. Die ~Kanal-Stopper"-Gebiete 2 werden nunmehr über einen 2-Stufeaprozeß mit verschiedenen Einschußenergien implantiert, so daß sowohl eine Eindringtiefe größer bzw. gleich der des Gebietes 6 als auch eine genügend große Oberflächenkonzentration von p-Dotenden erreicht wird. Als nächstes wird die 1. Elektrodenebene 43; 15 aufgebracht und strukturiert sowie anschließend mit einer Isolatorschicht jo überzogen <z. B. durch thermische Oxydation des poly-Si).
Das im "vergrabenen Fotosensor" die n-Dotierungszone 16 überdeckende ~Kanal-Stopper"-Gebiet 4 wird günstigerweise in einem 2-Stufenprozeß implantiert. Um die gewtlnschte Umdotierung der n-Dotierungszone bis in eine gewisse Tiefe zu erreichen, bedarf es beim 1. Implantationssohritt infolge der geringen Dotandenkonzentration dieser Zone in der Größenordnung von 1016 cm 3 nur einer geringen Dosis von 0,5 - bei At/cm2 bei ausreichender Energie (80 -100 keV). Für die Abschirmung gegen äußere Felder müssen im Oberflächenbereich genügend p-Dotanden vorhanden sein.
Dazu wird der 2. Implant ationsaohritt so ausgeführt, daß das Dotierungsmaximum an der Grenzfläche Halbleiter/Isolator positioniert wird. Es genügt dabei eine Dosis in der Größenordnung von 5 . 1012 cm bei einer Einschußenergie von 30 - 40 keV.
Lurch dieses Verfahren der 2-Stuienimplsntation bleibt die Gesamt dosis gering, und es entstehen keine die Fotogeneration beeinträchtigten "toten Schichten".
Die erste Implantation zur Einbringung des Gebietes 4 wird gleichzeitig mit der Einbringung des Barrierenimplantes in das Gebiet 3 ausgeführt. D. h., die für das Gebiet 3 benötigten Implantationsparameter genügen auch den Aniorderungen des 1. Implantationsschrittes für das Gebiet 4.
Nach Aufbringen und Strukturierung der 2. Elektrodenebene 13 (poly-Si) wird (selbstjustiert durch die vorhandenen Elektrodenebenen) der 2. Implantationsschritt zur Realisierung der Gebiete 4 ausgeführt.
Nach Abscheiden eines Isolierfilmes 11 (Silox) wird als Lichtschutz die Schicht 12 (z. B. aluminium) aufgebracht und strukturiert, wobei die optischen Fenster 14 entstehen.
In Fig. 2 ist der Potentialverlauf 30 des an freien Ladungsträgern verarmten vergrabenen Fotoeenaora eingezeichnet. Der Extremwert des Potentials ergibt die Tiefe 31 der Potentialmulde, In Fig. 3 ist der Potentialverlauf 32 des an freien Ladungsträgern verarmten und der Potentialverlauf 33 des mit einer gewissen Signalladung besetzten Speicherteiles eingezeichnet. Der Extremwert des Potentiales ergibt die Tiefe 34 der an Ladungsträgern verarmten Potentialmulde. Fig. 4 ist die Draufsicht auf den Sensor mit angekoppelten CCD-Register.
In Fig. 1b sind die 1>otentialverhältnisse im ladungsführenden Kanal dargestellt. Die Linien,23 symbolisieren das Substratpotential. Vom CCD-Schieberegister ist nur das Gebiet 6 unter der Speicherelektrode 9 in der Potentialdarstellung berücksichtigt. Bei leerem Kanal würde das Potential im Gebiet 6 im Rhytmus der Takt spannungen zwischen den Werten 27 (VL) und 26 (Vh) wechseln.
Während der Lichtintegrationsphase liegt am Trans er koppelgate der Low-Pegel. Dadurch erreicht das Gebiet unter dem Gate 13 das Potential 21, wodurch eine ausreichend hohe Potentialbarriere zwischen Speicherteil und CCD-Schieberegister geschaffen wird.
Der Wert 22 ist der Extremwert des Potentials im leeren Speicherteil. Der Wert 24 ist der Extremwert des Potentials im an freien Ladungsträgern verarmten nvergrabenen Fotosensor". Das durch die Fenster 14 fällende Licht erzeugt Ladungsträger, welche kontinuierlich in den Speioberteil fließen und dort gesammelt werden.
Bei Besetzung mit Ladungsträgern ändert sich das Potential im Speicherteil in Richtung Substratpotential. Ein gewisser Füllungsgrad des Speicherteiles sei mit dem Potential 25 angedeutet.
Zur Ubertragung der iotogenerierten Ladungsträger ins Schieberegister werden sowohl an Elektrode 43 als auch an Gate 13 die entsprechenden High-Impulse angelegt. Der Wert 26 ist dann der Extremwert des Potentials im leeren Gebiet 6 unter Elektrode 43,.der Wert 20 der entsprechende unter der Transferelektrode 13. Nach Ubertragung der fotogenerierten Ladungsträger stellt sich im Speicherteil erneut das Potential 22 ein. Im Gebiet unter der Elektrode 43 ändert sich durch die Auffüllung von Ladungsträgern das Potential vom Wert 26 auf einen gewissen Wert 28.
Durch Anlegen des Low-Pegels an das Transferkoppelgate 13 wird die nächste Lichtintegrationsphase begonnen. W^hrend dieser Phase werden vom CCD-Schieberegister die aus den einzelnen Sensoren übertragenen Ladungen zum Ausgangs-Ladungsdetektor transportiert.
In Fig. 8a ist das Funktionsschaltbild derjenigen elektronischen Schaltung dargestellt, welche aus den anliegenden Taktimpulsen ~T einen benötigten Transferimpuls ~xout auswählt. Me Die Transistoren T1 und T2 sind vom Enhancment-Typ und besitzen extrem große b/L, für T1 ist b/L etwa 200 und für T2 ist b/L etwa 1000. T1 und T2 sind in MCanderform ausgeführt und beanspruchen zusammen eine Fläche von insgesamt 0,25 x 2 mm2 (- 0,5 mm). In linearen ladungsgekoppelten Halbleitersensoranordnungen mit einer großen Anzahl von Sensoren (z. B. 1024 Sensoren) sind auf Grund der konstruktiven Besonderheiten solcher Sensoranordnungen auf dem Chip ungenutzte Flächen in der Größenordnung von mm vorhanden. Die Unterbringung solcher relativ großen Transistoren wie die hier erwähnten T1 und T2 bereitet daher keine Schwierigkeiten.
Das Gate von T2, an das direkt der extern erzeugte Auslöseimpuis ~x gelegt wird, besitzt eine Kapazität zum Substrat von etwa 27 pF.
Mit dem Auslöseimpuls ~ wird weiterhin eine 3ootstrepinvertierstute 70 angesteuert. Der invertierte Impuls ~X wird an das Gate des Transistors T1 gelegt. An das Draingebiet von T2 werden gemäß dem Erfindungsvorschlag direkt die extern erzeugten Taktimpulse ~T gelegt (mit ~T werden natürlich außerdem die Taktelektroden der CCD-Schieberegister gesteuert). Durch diese Schaltung wird sichergestellt, daß das Transferkoppelgate 13 unabhängig von einer eventuellen Phaßenverschiebung zwischen ~T und ~x sowie unabhängig von eventuellen Unterschieden in der Impullänge zwischen 0? und 0 immer einen solchen Steuerimpuls #xout erhält, der einen exakten Transfer der Signalladungen aus den Sensoren in die Schieberegister gewährleistet. In den Fig. 8b bis 8d sind die Impulsbeziehungen für drei verschiedene ~x dargestellt. Das Transfergate 13 besitzt bei einer linearen ladungsgekoppelten Halbleitersensoranordnung mit 1024 Sensoren eine Kapazität 71 zum Substrat von etwa 70 - 100 pF.
Ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße elektronische Schaltungsanordnung ist in den Fig. 5; 6 und 7 dargestellt. Diese vereint in einem Eingangsteil einer ladnngsgekoppelten Halbleitersensoranordnung, dargestellt als Layout in Fig. 7, sowohl die Weißsignalerzeugung, dargestellt in der Schnittzeichnung Fig. 5a, als auch die elektrisch-analoge Signal eingabe, die als Schnitt zeichnung in Fig. 6a wiedergegeben ist.
Auf einem gemeinsamen p-leitenden Si-Substrat 1 befindet sich eine n-leitende Schicht 6 (vergrabener Kanal), die die elektrisch aktiven Gebiete für den Ladungstransport bildet. An diese aktiven Gebiete schließt sich das Kanal Stopper-Gebiet 7 an, wodurch die Kanalbegrenzung 40 entsteht.
Uber den aktiven Kanalgebieten befinden sich getrennt durch eine Isolatorschicht 5 zwei Poly-Si-Elektrodenebenen, wobei zur Ebene I die Elektroden 41; 42; 43 und 44 bzw. zur Ebene II die Elektroden 45; 46; 47; 48 und 49 gehören. Die Elektroden werden über die in der Fig. 7 nur symbolisch dargestellten Leitbahnverbindungen 51; 52; 53; 54 und 55 an die statische Gleichspannung UT, an die Transportt akt impulsspannung an an die Trans ferimpulsspannung an an die Eingangsspannung UEG sowie an die invertierten Transporttaktimpulsspannung ~ angeschlossen. Das Quellgebiet wird über eine Kontaktierungsschicht 18 und die Leitbahnverbindung 56 mit einer Eingangsspannung UZ verbunden. Wie aus der Fig. 7 zu ersehen ist, wird die elektrische Signal eingabe am Registeranfang 57 und die Weißsignaleingabe an der Seite an den Stellen 58 und 59 des Registers realisiert.
In Fig. 5b und 6b sind schematisch die im Betriebafall auftretenden Eanalpotentialverläute dargestellt, wobei die Ansteuerspannungen für die Weißsignaleingabe und die elektrisch-analoge Signal eingabe in den Fig. 5c bzw. 6c wiedergegeben sind.
Zwecks Beschreibung der elektrisch-dynamischen Funktion der Anordnung muß zwischen zwei Betriebsarten unterschieden werden: In der optischen Betriebsart werden durch Takten der Transferelektrode ~x entsprechend Fig. 5c, die Ladungspakete aus den Speichergebieten des Sensorteiles in die Speichergebiete des CCD- Schieberegist ers transportiert.
Gleichzeitig fließen am Registeranfang seitlich an den Stellen 60 und 61, wie in Fig. 7 dargestellt, aus dem Gebiet 17 Ladungen in das Kanalgebiet unter der Speicherelektrode 41. Entsprechend der angelegten Eingangsspannung UE am n+-Gebiet fließen Elektronen unter die Eingangselek troden 45 und 41, wenn sich der Transferimpuls #x in ~Righ"-Zustand befindet. Das zugehörige Potentialniveau wird in Fig. 5b durch den Potentialverlauf 68 charakterisiert.
Schaltet entsprechend Fig. So der X7Impul8 von #igh" au! "Low", wird das Kanalpotential unter den Elektroden 41 und 45 angehoben, so daß der überschüssige Ladungsinhalt unter den Elektroden 41 und 45 zum n+-Quellgebiet 17 zurückfließt und nur der durch die Barriere unter der Elektrode 45 begrenzte Ladungsinhalt unter der Elektrode 41 verbleibt. Die in Fig. 5b angegebenen Niveaulinien 62 und 63 geben den Potentialverlauf im Kanal an, wenn die Potentialmulde unter der Eingabeelektrode 41 nicht mit Elektronen bzw. mit Elektronen (Weißsignalladungen) gefüllt ist. Wird darauffolgend der Transporttaktimpuls ~ von "High" auf "Low" geschaltet bzw. gleichzeitig der invertierte Transporttaktimpuls Pls von ~Low" auf ~High", können die Weißsignalladungen in das benachbarte Speichergebiet unter der Elektrode 42 des CCD-Registers gelangen. Die dem Weiß signal zugehörigen Ladungspakete werden an den Stellen 58 und 59 in Fig. 7 seitlich in den Kanal unter der entsprechenden Speicherelektrode 6 eingekoppelt.
Solange in dieser Betriebsart am n+-Gebiet 17 des Ein- ganges ein ausreichend hoher Gleichspannungspegel liegt, d. h. höher ist als das Kanalpotential unter der Eingangselektrode 48 in Fig. 6a, können keine störenden Ladungen vom Registeranfang 57 her in das Schieberegister einfließen.
Eine leichte Abänderung der Schaltungsanordnung zur Eingabe der Weißsignale besteht darin, daß die Elektrode 49 mit der Elektrode 42 des Transportregisters verbunden wird, an welche die statische Spannung UT gelegt wird. Für diesen Fall ist ein einwandfreier Weitertransport der Weißsignalladungen nur möglich, wenn die Abfallflanke des Transfertaktimpulses ~x und des Transporttaktimpuls ~T übereinstimmen.
In der Betriebsart zur Eingabe von elektrisch-analogen Signalen wird entsprechend Fig. 6c die Transferelektrode an das Bezugapotential ~Null" gelegt, so daß kein Ladungsfluß seitlich aus den n+-Gebieten in das Register möglich ist.
In diesem Fall wird das n+-Gebiet 17 am Eingang entsprechend Fig. 6c mit dem Steuersignal ~E getaktet. Bei Jedem Impuls, d. h. Schalten von High- auf den Low-Pegel, fließen Ladungen in das Kanalgebiet unter Elektrode 44. Zu dem High- bzw. Lowpegel des Steuersignals ~E gehören die in Fig. 6b dargestellten Potentialverläufe 67 und 66. Beim Schalten des Steuersignales ~E vom ~Low" zum ~High"-Pegel fließen die überschüssigen Ladungen, die über dem Pegel des Kanalpotentials der Elektrode 48 liegen zurück zum n+-Gebiet, Die verbleibenden Ladungsträger bilden das elektrische Eingangssignal. Die in Fig. 6b angegebenen Potentialverläufe 64 und 65 stellen das Kanalpotential bei leerer bzw. gefuilter mulde unter der Eingangselektrode 44 dar. Durch Takten der nachfolgenden Elektroden 47 und 43 mit dem Impuls ~T werden die Ladungspakete des elektrisch-analogen Eingangssignales im Register weitertransportiert.
Mit der Höhe des an Elektrode 44 gelegten Gleichspannungs-Pegels UEG wird die Höhe der Eingangssignalladungsmenge eingestellt.
Legt man an die Eingangselektrode 44 eine veränderliche Spannung (Wechselsignal bzw. Analogsignal), wird die Höhe der Eingangssignalmenge entsprechend analog geändert.
Mit dieser Anordnung können am elektrisch-analogen Eingang entsprechend Fig. 6a durch entsprechende Steuerung des n+-Gebietes 17 mittels Impulsgruppen Prüfsignale konstanter Höhe in das Schieberegister eingegeben werden, wobei die elektrische Eingangselektrode 44 mit einer konstanten Gleichspannung belegt wird. Mit diesen Prüfsignalen können die Ubertragungsverluste im Register selbst elegant festgestellt werden.
Man kann diese Schaltungsanordnung auch zur Ubertragung analoger Signale verwenden (Schieberegist erenwendung, Verzögerungsleitung), in dem am n+-Gebiet 17 eine tortlauiende Folge von Impulsen entsprechend Fig. 6c angelegt werden und an Elektrode 44 das Analogsignal.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Si-Substrat, p-leitend 2 Kanal-Stopper-Gebiet - Schicht unter Gateisolator 3 Barrierengebiet 4 Kanal-Stopper-Gebiet - Schicht über "vergrabenen Fotosensor" 5 Gateisolator 6 n-leitende Schicht (vergrabener Kanal) 7 Kanal-Stopper-Gebiet - Schicht unter Feldisolator 8 Feldisolator 10 Isolatorschicht (thermisches Oxid) 11 Isolatorschicht (Silox) 12 Aluminiumschicht 13 Poly-Si-II-Elektrode (Transferelektrode zur Kopplung des Sensors mit dem CCD-Register 14 optisches Fenster 15 Poly-Si-I-Elektrode (Speicherelektrode des Sensors) 16 n-leitende Schicht (vergrabener Kanal) im Bereich des "vergrabenen Sensors" 17 n+-leitende Schicht (Quell-Gebiet) 18 Kontaktierungsschicht 20 Potentialverlauf unter Transferelektrode für VH 21 Potentialverlauf unter Transferelektrode für VL 22 Potentialverlauf unter der Speicherelektrode des Bbtosensors (leere Mulde) 23 Potentialverlauf unter Feldisolator und Kanal-Stopper-Gebiet 24 Potentialverlauf im Bereich des "vergrabenen Fotosensors" 25 Potentialverlauf unter der Speicherelektrode des Fotosensors (gefüllte Mulde) 26 Potentialverlauf unter Speicherelektrode des Registers für VH 27 Potentialverlauf unter Speicherelektrode des Registers für VL 28 Potentialverlauf unter Speicherelektrode des Registers (gefüllte Mulde) 30 Potentialverlauf im Bereich des nvergrabenen Fotosensors" 31 Tiefe der Potentialmulde im Bereich des nvergrabenen Fotosensors" 32 Potentialverlauf im an freien Ladungsträgern verarmten Speicherteil des Fotosensors 33 Potentialverlauf im mit freien Ladungsträgern teilweise gefüllten Speicherteil des Fotosensors 34 Tiefe der an freien Ladungsträgern verazmten Potentialmulde im Speicherteil des Fotosensors 40 Kanalbegrenzung 41 Poly-Si-I-Elektrode (Speicherelektrode für die Weißsignaleingabe) 42 Poly-Si-I-Elektrode (Registerspeicherelektrode für Gleichspannung) 43 Poly-Si-I-Elektrode (Registerspeicherelektrode für Transporttaktspannung) 44 Poly-Si-I-Elektrode (Eingangselektrode für elektrischanalogen Signale) 45 Poly-Si-II-Elektrode (Transferelektrode für die Weißsignaleingabe) 46 Poly-Si-II-Elektrode (Registertransferelektrode für Gle i chspannung) 47 Poly-Si-II-Elektrode (Registertransferelektrode für Transport takt spannung) 48 Poly-Si-II-Elektrode (Transferelektrode für den elektrisch-analogen Eingang) 49 Poly-Si-II-Elektrode (Transferelektrode für invertierten Transfertakt an Weiß signaleingang) 51 Leitbahnzuführung 52 Leitbahnzuführung 53 Leitbahnzuführung 54 Leitbahnzuführung 55 Leitbahnzufühnung 56 Leitbahnzufuhrung 57 Registeranfang 58) Einkoppelstellen für die Weißsignale in das Schiebe-59) register 60) Einkoppelatellen der Weißsignalladungen aus dem n+-61) Gebiet in den Kanal 62 Potentialverlauf unter der Speicherelektrode für die Weißsignaleingabe (leere khlde) 63 Potentialverlauf unter der Speicherelektrode für die Weißsignaleingabe (gefüllte Mulde) 64 Potentialverlauf unter der Eingangselektrode für elektrisch-analoge Signale (leere Mulde) 65 Potentialverlauf unter der Eingangselektrode für elek-:trisch-analoge Signale (gefüllte Mulde) 66 Potentialverlauf am 8-Gebiet bei angelegtem Lowpegel des Steuersignales #E 67 Potentialverlauf am n+-Gebiet bei angelegtem Highpegel des Steuersignales ~E 68 Potentialverlauf am n+-Gebiet bei angelegter Eingangsspannung UE 70 Bootstrapinverter 71 Kapazität des Transfergates zu Substrat

Claims

Patentansprüche 1. Ladungrgekoppelte lineare Halbleitersensoranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in einen Speicherteil und einen strahlungsempfindlichen Teil, den nvergrabenen Fotosensor", unterteilt ist, und wobei die im "vergrabenen fotosensor H generierten Ladungsträger kontinuierlich in den Speicherteil fließen, im Speicherteil gesammelt werden und aus dem Speicherteil zu gegebenem Zeitpunkt über ein kurzes Transfergebiet direkt in das Speichergebiet eines CCD-Schieberegiaters fließen, wobei die den Sensorspeicherteil und das CCD-Speichergebiet überdeckenden Elektroden der gleichen Elektrodenebene angehören, und die Transferelektrode aus einer 2. Elektrodenebene gebildet ist, und wobei der Speicherteil des Sensors als herkömmliches CCD-Speicherelement ausgeführt ist, dessen Potentialmulde ständig tiefer als die Potentialmulde des an freien Ladungsträgern verarmten nvergrabenen Fotosensors" ist, und wobei der strshlungsempfindliche Teil, der ~vergrabene Fotosensor", aus einer Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp besteht, welche in vertikaler Richtung zur Oberfläche hin durch ein auf Substratpotential liegendes Kanal-Stopper-Gebiet, durch welches sich eine Deckelektrode erübrigt, begrenzt wird, wobei die Eindringtiefe des Kanal-Stopper-Gebietes merklich kleiner ist als die vertikale ausdehnung der botierungszone, und wobei die energetische Tiefe der Potentialmulde des nvergrabenen Fotosensorsw für den Fall der Verarmung an freien Ladungsträgern gering ist.
2. Halbleitersensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Sensorbereich benötigten vertikalen und lateralen Kanal-Stopper-Gebiete durch eine den gesamten Sensorbereich bedeckende durchgehende und relativ zum Substrat hochdotierte Zone vom leitungstyp des Substrates gebildet sind und daß besagte Kanal-Stopper-Zone in lateraler Richtung im gesamten Sensorbereich eine einheitliche Dotierung aufweist, wobei durch einen geeigneten Maskierungsschritt vor Implantation der Dotierungszone erreicht wird, daß in den Gebieten zwischen den einzelnen Sensorelementen dieselbe alxsgeapart ist oder die Dotierung derselben an den genannten Stellen deutlich geringer ist, als im Bereich der einzelnen Sensorelemente und wobei die die Halbleiteranordnung überdeckenden Isolatorschichten im gesamten licht empfindlichen Bereich vorzugsweise eine einheit liche Dicke besitzen.
3. Halbleitersensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Dotierungszone als auch der die Dotierungszone in Richtung auf die Oberfläche einschließende ~anal-Stopper-Bereich im gesamten lichtempfindlichen Bereich des Halbleiterkdrpers durchgehend und unstrukturiert eingebracht sind, wobei zur lateralen Isolation zwischen den einzelnen Sensorelementen besondere, durch einen zusätzlichen Easkieruags- und Dotierungsprozeß erzeugte Kanal-Stopper-Gebiete vom Leitungstyp des Substrat es vorgesehen sind und wobei wie im Punkt 2 der lichtempfindliche Teil der Halbleiteranordnung vorzugsweise eine einheitliche Isolatordicke aufweist.
4. Halbleitersensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur lateralen Isolation der einzelnen Sensorelemente die in der sogenannten Isoplanartechnologie üblichen, Durch lokale Oxidation erzeugten Feldoxidgebiete mit darunterliegenden, zu diesen Feldoxidgebieten selbatjustierend erzeugten ICanal-Stopper-Zonen vorgesehen sind, wobei die Implantation der Dotierungszone und der vertikalen Kanal-Stopper-Schicht nach der selektiven Beldoxidation und damit ebenfalls selbstjustieren zu den genannten lateralen Kanal-Stopper-Zonen erfolgt.
5. Halbleitersensoranordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanal-Stopper-Gebiete vom Leitungstyp des Substrat es, welche der lateralen Begrenzung der Sensoren dienen, über eine 2-Stufen-Implantation eingebracht sind, wobei die 1. Implantation mit so hoher Energie ausgeführt ist, daß die sich in eine gewisse Tiefe erstreckende Dotierungszone im Kanal-Stopper-Gebiet umdotiert wird, und daß die 2. Implantation bei so geringer Energie ausgeführt ist, daß das Dotierungsmaximum an der Grenzfläche Halbleiter/ Isolator positioniert ist, und wobei die Dosis der 2. Implantation so groß gewählt wird, daß eine ausreichend hohe Inversionaspannung gesichert ist.
6. Ralbleitersensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im über den eigentlichen CCD-#renaportkanal hinausreichenden Verlängerungsteil des CCD; Registerspeichergebietes, wie er entsteht, wenn bei Realisierung eines direkten Transfer der Signalladung aus den Sensorspeichergebieten über ein kurzes Transfergebiet ins CCL-Registerspeichergebiet die die beiden Speichergebiete überdeckenden Elektroden der gemeinsamen 1. Elektrodenebene angehören und die das erwähnte Transfergebiet sowie die CCL-Registertransfergebiete überdeckenden Elektroden einer gemeinsamen 2. Elektrodenebene angehören, ein Driftfeld eingebaut ist, welches die Signalladungsträger aus dem Verlängerungsteil in das Gebiet des eigentlichen CCD-TrsaEportkamalß beschleunigt, wo durch kein Transferverlust im CCD-Schieberegister trotz der über den eigentlichen CCL-Transportkanal hinausreichenden Verlängerungsteile entsteht.
7. Halbleitersensoranordnung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das im über den eigentlichen CC#Transportkanal hinsusreichenden Verlängerungst eil eingebaute Drift feld durch seitlich am Verlängerungsteil in genügend engem Abstand voneinander geführte Kanal-Stopper-Gebiete erzeugt ist.
8. Halbleitersensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Speicherteil des Sensor überdeckende Elektrode intern mit dem Substrat verbunden ist und somit keines externen Anschlusses sowie keiner externen Spannungsquelle bedarf.
9. #albleitersensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teilgebiet des vergrabenen Fotosensors bestrahlt wird und die restlichen Gebiete des Sensors mit einer lichtundurchlässigen Schicht bedeckt sind, wobei der nicht bestrahlte Teil des vergrabenen Fotosensors als Transportkanal vom bestrahlten Teilgebiet zum Speicherteil dient.
10. Halbleitersensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Speicherteil des Sensors und im vergrabenen Fotosensor vorhandenen Dotierungszonen vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp zunächst als eine in beiden Gebieten identische Schicht eingebracht sind, wobei in einem späteren technologischen Schritt durch eine gesteuerte Dotierung im Gebiet des vergrabenen Fotosensors die ursprünglich eingebrachte Dotierungszone bis zu einer festgelegten Tiefe umdotiert ist.
11. Ralbleitersensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im vergrabenen Fotosensor die Dotierungszone überdeckende Kanal-Stopper-Schicht über eine 2-Stufen-Implantation hergestellt ist, wobei sich beide Stufen durch unterschiedliche Einschußenergien und Implantationsdosen unterscheiden, und wobei die gesamte eingebrachte Dosis unter dem Wert von 1013 At/cm2 bleibt.
12. Halbleitersensoranordnung nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die 1. Stufe des 2-Stufen-Implantationsprozesses gleichzeitig mit der zur Funktion des CCD-Schieberegisters notwendigen Barrierenimplantation ausgeführt ist.
13. Halbleitersensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als der zur Steuerung des Ladungstransfer von den Sensoren in das CC#Schieberegister benötigte Transferimpuls ein aus den extern augefiihrten Transporttaktimpulsen ausgewählter Impuls dient, wobei die Auswahl durch eine auf dem Chip integrierte Schaltung geschieht.
14. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Schaltungsanordnung am Eingang der ladungsgekoppelten linearen Sensoranordnung realisiert ist, die sowohl die Eingabe von Weißsignalen als auch die Eingabe von elektrisch-analogen Signalen in das CCD-Schieberegister gestattet, und daß die elektronische Schaltungsanordnung im einzelnen erstens aus einem zusammenhängenden n+-Quellgebiet besteht, das die Ladungsträger für die Eingabe der Weißsignale bzw. für die Eingabe der elektrisch-analogen Signale bereitstellt, zweitens aus jeweils zwei getrennten CCD-Kanalabachnitten, wobei durch den einen Kanalabschnitt die Weißsignnlladungen und durch den anderen die elektrisch-analogen Signalladungen aus dem n+-Quellgebiet in das gemeinsame CCD-Sohieberegister, in dem auch die optischen Signalladungen aus den Sensoren transportiert werden, an getrennten Stellen einfließen und drittens aus einer geeigneten Elektrodenanordnung über den Kanalabschnitten besteht, welche die Kanalpotentiale in den Kanalabeohnitten ateuert, wobei dadurch eine Dosierung der Eingabe der Weißsignalladungen bzw. der elektrisch-analogen Signalladungen möglich ist, und wobei zur Steuerung der Eingabe der Weißsignalladungen die Elektroden über dem betreffenden Kanalabschnitt mit dem gleichen Transfertakt verbunden sind, wie er auch für die Ubertragung der optischen Signale aus dem Sen so rspeichergebiet in das CCD-Schieberegister notwendig ist, und daß die gesamte horizontale Anordnung der n+-Quell- und Kanalgebiete sowie der Elektroden so beschaffen ist, daß wahlweise drei Betriebsarten, erstens die Eingabe der optischen Signale aus den Speichergebieten der linearen Halbleitersensoranordnung in das Schieberegister bei gleichzeitiger Eingabe von Weiß signalen, zweitens die Eingabe von elektrisch-analogen Signalen bei Ruhestellung der optischen Signal eingabe und drittens die Eingabe von elektrisch-analogen Signalen, die den optischen Signalen im Register überlagert werden, möglich sind.
15. Halbleitersensoranordnung nach Anspruch 1 tind 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich an der Stelle, an der die Weißsignalladungen aus dem zugehörigen Kanalabschnitt in den Kanal des CCL-Sch#eberegisters fließen, ein Speichergebiet im CCD-Schieberegister mit darüberliegender Elektrode der ersten Ebene befindet, wobei an dieser Elektrode die statische Spannung zur Steuerung der Elektroden des CcDwSchieberegisters angeschlossen ist, und daß sich an der Stelle, an der die elektrisch-analogen Signale aus dem zugehörigen Kanalabsohnitt in den Kanal des CCD-SchieberegiRters fließen, ein Transfer mit nachfolgendem Speichergebiet mit darüberliegenden Elektroden der zweiten bzw.

der ersten Ebene befindet, wobei an beiden Elektroden die Transporttaktimpulse zur Steuerung der Elektroden des CCL-Schieberegisters angeschlossen sind.
16. Halbleitersensoranordnung nach Anspruch 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung über dem Eanalabschnitt zur Eingabe der Weiß signale aus einer Folge von drei Elektroden besteht, wobei die zweite Elektrode einer ersten Poly-Si-Ebene und die erste und dritte Elektrode einer zweiten Poly-Si-Ebene zugehören und somit nacheinander ein Transfer-, ein Speicher- und wieder ein Transfergebiet im Kanal abschnitt kontrollieren, und wobei an den ersten beiden Elektroden der Transfertakt zur Steuerung der Weißsignaleingabe und an die dritte Elektrode insbesondere ein Taktimpuls angelegt ist, der zum Transporttakt des CCL-Schieberegisters invertiert ist und in seinem High-Pegel etwa dem Wert der zur Steuerung der CCD-Registerelektroden benutzten statischen Spannung entspricht.
17. Halbleitersensoranordnung nach Anspruch 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die geeignete Elektrodenanordnung über dem Kanalabschnitt zur Eingabe der elektrisch-analogen Signale aus zwei aufeinanderfolgenden Elektroden besteht und wobei die zweite Elektrode einer ersten Poly-Si-Ebene und die erste Elektrode einer zweiten Poly-Si-Ebene zugehören und somit nacheinander ein Transfer- und ein Speichergebiet kontrollieren, und daß die Steuerung dieser Anordnung derart erfolgt, daß an die erste Elektrode dieselbe statische Spannung angeschlossen wird, wie sie zur Steuerung der Elektroden des CCD-Schieberegisters notwendig ist, und daß die zweite Elektrode, an die das elektrisch-analoge Eingangs signal angelegt werden kann, über einen hochohmigen MOSPET-Widerstand mit dem Substrat verbunden ist, so daß bei extern nicht beschaltetem elektrischen Signal eingang keine Ladungen im elektrisch-analogen Eingangsteil erzeugt werden.
18. Halbleitersensoranordnung nach Anspruch 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal abschnitt zur Eingabe der elektrisch-analogen Signale direkt ohne Richtungsänderung in den Kanal des CC#Registers, also am Anfang des Registers, einmündet und daß der Kanalabechnitt zur Eingabe der Weiß signale von der Seite, also mit Richtungsänderung von 900, in den Kanal des CCD-Registers einmündet, wobei diese Stelle für die Eingabe der Weiß signale räumlich vor den ebenfalls auf der gleichen Seite angeordneten Eingabestellen für die optischen Signale in das Register liegt.