DE3513196A1

DE3513196A1 - Festkoerper-bildsensor

Info

Publication number: DE3513196A1
Application number: DE19853513196
Authority: DE
Inventors: Atsushi Nagano Yusa
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1984-04-17
Filing date: 1985-04-12
Publication date: 1985-10-17
Also published as: JPS60233851A

Description

Festkörper-Bildsensor
Die Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildsensor mit einer Vielzahl von photoelektrischen Wandlern, wie Photodioden oder Phototransistoren, welche zweidimensional auf einem gemeinsamen Halbleiterkristall-Plättchen angeordnet sind, um ein Bildsignal zu erzeugen, wobei der einfallenden Lichtintensität entsprechende Signal ladungen nacheinander aus den photoelektrischen Wandlern abgeführt werden.
Wenn bei einem Festkörper-Bildsensor der vorstehenden Art photoelektrische Ladungen in den Wandlern erzeugt werden, können sie in benachbarte Wandler abfließen, auf welche kein Licht trifft, und es entstehen sogenannte Uberschneidungen, welche die Auflösung verringern. In Extremfällen kann das sogenannte SBloomingw (Uberstrahlen) oder Verschmieren im erzeugten Bild auftreten. Um derartige Überschneidungen zu vermeiden, sind benachbarte photoelektrische Wandler gewöhnlich durch einen Isolationsbereich voneinander getrennt.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen bekannten Festkörper-Bildsensor, bei dem die Isolation derart gebildet ist, daß zwischen benachbarten photoelektrischen Wandlern ein Bereich mit hoher Verunreinigungskonzentration vorgesehen ist. Das heißt, auf einem Substrat 1 vom N-Leitfähigkeitstyp ist eine Schicht 2 vom P+-Leitfähigkeitstyp ausgebildet und der Isolationsbereich 3 vom N+ -Leitfähigkeitstyp wird durch Diffusion von N-Verunreinigungen in die Schicht 2 gebildet, so daß benachbarte P+N-Photodioden 4 und 5 durch den Isolationsbereich 3 voneinander isoliert sind. Auf den Oberflächen der Schicht 2 und des Isolationsbereiches 3 ist ein isolierender Film 6 ausgebildet. Es sei angemerkt, daß die N+-Diffusionsschicht die Photodioden 4 und 5 in der Draufsicht vollständig umgibt. Bei einem Festkörper-Bildsensor dieser Art werden photoelektrische Ladungen 8, welche in der Photodiode 5 entsprechend dem Lichteinfall 7 gebildet werden, durch eine hochdotierte N-Isolationsschicht 3 daran gehindert, über die Potentialbarriere in die benachbarte Photodiode 4 zu fließen.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Festkörper-Bildsensor werden aber bei der thermischen Diffusion der Verunreinigungen aus der Oberfläche der P+-Schicht 2 zur Bildung des Isolationsbereiches 3 die Verunreinigungen nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in Querrichtung diffundiert (bezogen auf die Hauptebene des Bildsensors; vertikal: senkrecht zur Hauptebene; quer: parallel zur Hauptebene).
Soll deshalb ein Isolationsbereich 3 mit großer Tiefe gebildet werden, wird auch die Quererstreckung des Isolationsbereiches entlang der Oberfläche des Chips entsprechend groß, so daß sich insgesamt die Auflösung des Bildsensors vermindert. Andererseits wird bei einer Verminderung des Verhältnisses von Tiefe zu Breite der Isolationsschicht die Isolation selbst geschwächt, was die eingangs geschilderten Nachteile bedingt.
Hat andererseits der Isolationsbereich eine sehr große Verunreinigungskonzentration und werden bei starkem Lichteinfall entsprechend viele Ladungsträger erzeugt, so kann ein Teil der Ladungsträger in die benachbarten photoelektrischen Wandler auslecken, da ein Transfer der Ladungen nur durch die Potentialbarriere behindert ist. Hat der Isolationsbereich eine geringe Breite, so kann ein schräg auf den Festkörper- Bildsensor einfallender Lichtstrahl durch den betroffenen Wandler und den Isolationsbereich in den benachbarten Wandler durchstrahlen. Auch hierdurch wird die Auflösung vermindert. Diese Schwierigkeiten treten insbesondere bei Farb-Bildsensoren auf und es kommt zu Farb-Mischungen, welche die Bildqualität insgesamt erheblich verschlechtern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörper-Bildsensor zu schaffen, bei dem das beschriebene Auslecken von photoelektrischen Ladungen aus benachbarten Wandlern wirksam verhindert ist, um Signalverfälschungen zu vermeiden.
Insbesondere soll eine gute Auflösung erreicht werden und ein schräg einfallender Lichtstrahl soll nicht gleichzeitig zwei benachbarte photoelektrische Wandler beaufschlagen. Bei einem Farb-Festkörper-Bildsensor soll eine Farbmischung verhindert werden, so daß die Farb-Reproduktion verbessert wird.
Ein diese Aufgabe lösender Festkörper-Bildsensor ist mit seinen Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
Der erfindungsgemäße Festkörper-Bildsensor kann in MOS- oder CCD-Technik hergestellt werden, wobei die photoelektrischen Wandler durch Photodioden gebildet werden, oder auch durch JFET-Technik, bei der die photoelektrischen Wandler durch Phototransistoren gebildet werden, oder aber auch mittels der SIT-Technik, bei welcher statische Induktionstransistoren als photoelektrische Wandler benutzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Festkörper-Bildsensor wird der Isolationsbereich durch eine tiefe und dünne Ausnehmung gebildet. Eine isolierende Schicht wird in die Ausnehmung eingebracht und ein dielektrischer Körper wird auf der isolierenden Schicht angeordnet. Auf diese Wiese läßt sich das Auslecken von photoelektrischen Ladungen aus benachbarten photoelektrischen Wandlern wirksam verhindern, so daß Signalverfälschungen vermieden sind. Es ergibt sich ein scharf konturiertes Bild ohne Uberstrahlungen und Verschmierungen. Da andererseits der Isolationsbereich nur eine geringe Breite aufweist, lassen sich eine hohe Auflösung und eine hohe Dichte an Bildelementen erzielen, wobei die Abmessungen des einzelnen Bildelementes klein sein können. Wird weiterhin ein transparenter dielektrischer Körper in die Ausnehmung eingebettet, so kann der Isolationsbereich auch als Licht-Empfangsabschnitt benutzt werden. Dementsprechend hat der Festkörper-Bildsensor eine große Aufnahmefläche und entsprechend hohe Empfindlichkeit.
Hat der dielektrische Körper bezüglich Licht Abschirmeigenschaften, so ist es möglich, einen Farb-Festkörper-Bildsensor zu bauen, mit dem scharfe Farbbilder erzeugt werden, ohne daß ein Vermischen zwischen den roten, grünen und blauen Farben erfolgt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Festkörper-Bildsensor und Fig. 3 einen Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Festkörper-Bildsensors.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein photoelektrischer Wandler durch eine P+N-Silizium-Photodiode gebildet. Auf einem N-Siliziumsubstrat 21 ist eine P+-Siliziumepitaxieschicht 22 gewachsen, um die P+N-Silizium-Photodioden 23, 24 zu bilden. Um jede Photodiode herum ist eine V-förmige Ausnehmung 25 ausgebildet. Die Ausnehmung 25 ist sehr tief in das Substrat 21 eingeschnitten, hat aber eine geringe Breite. Das Verhältnis von Breite zu Tiefe der Ausnehmung ist in Fig. 2 wiedergegeben. Auf der Oberfläche in der Ausnehmung 25 ist eine isolierende Schicht 26 aus Siliziumoxyd oder Siliziumnitrid aufgetragen. Weiterhin ist in der Ausnehmung 25 ein dielektrischer Körper 27 angeordnet Der dielektrische Körper 27 kann durch ein CVD-Verfahren oder ein Zerstäubungsverfahren gebildet sein. Als Material für den dielektrischen Körper 27 können transparente dielektrische Materialien, wie Oxyde (SiO2, Ta205), Nitride (Si3N4), Aluminiumoxyd (Al203) und Magnesiumoxyd (MgO) vorgesehen sein. Auf der Oberfläche der P -Schicht 22 und über dem dielektrischen Körper 22 ist eine isolierende Schicht 28 aufgetragen.
Der Isolationsbereich wird durch die Ausnehmung 25, die isolierende Schicht 26 auf den Wänden der Ausnehmung und den in der Ausnehmung eingebetteten dielektrischen Körper 27 gebildet. Da die Breite der Ausnehmung 25 sehr gering ist, kann die wirksame Lichtempfangsfläche der einzelnen Photodioden 23, 24 entsprechend groß gestaltet werden und darüberhinaus wird ein auf den Isolationsbereich treffender Lichtstrahl 29 durch den Isolationsbereich durchgelassen, so daß er auf das Substrat 21 auftrifft, um darin photoelektrische Ladungen 30 zu erzeugen. Dementsprechend ist auch die Empfindlichkeit des Festkörper-Bildsensors erhöht. In anderen Worten: Da bei diesem Ausführungsbeispiel der Isolationsbereich auch als Licht-Empfangsfläche wirkt, wird der Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung erhöht und es ergibt sich eine hohe Empfindlichkeit. Außerdem ist die Bewegung der in den Photodioden 23, 24 induzierten Ladungsträger 30 in Querrichtung (quer zum Lichteinfall) wirksam durch die isolierende Schicht 26 verhindert, welche in der tief einschneidenden Ausnehmung 25 aufgetragen ist. Photoelektrische Ladungen können also nicht in benachbarte Photodioden überfließen. Auf diese Weise werden die Uberschneidungen zwischen benachbarten Photodioden wirksam vermieden und es ergibt sich ein Bildsignal mit guter Auflösung.
Die tiefe, schmale Ausnehmung 25 umgibt die einzelnen photoelektrischen Wandler und die isolierende Schicht 26 wird auf die Wände der Ausnehmung aufgebracht. Der lichtdurchlässige dielektrische Körper 27 wird in die Ausnehmung 25 eingebettet, um den Isolationsbereich zu bilden. Der derart erzeugte Festkörper-Bildsensor weist keine Signalüberschneidungen auf und hat eine hohe Empfindlichkeit. Dieses Ausführungsbeispiel eines Festkörper-Bildsensors ist insbesondere geeignet für Schwarz/Weiß-Bildsensoren, bei denen es eher auf eine hohe Empfindlichkeit als auf eine hohe Auflösung ankommt.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf dem N-Siliziumsubstrat 31 eine P+-Siliziumschicht 32 als Epitaxieschicht gewachsen, um die P N-Silizium-Photodioden 33, 34 zu bilden. In der Oberfläche des Halbleiterkristall-Plättchens aus dem Substrat 31 und der Schicht 32 ist eine schmale, V-förmige Ausnehmung 35 derart ausgebildet, daß die Ausnehmung 35 die Photodioden 33, 34 vollständig umfängt. Die Ausnehmung 35 ist durch eine isolierende Schicht 36 aus Siliziumoxyd abgedeckt und ein lichtabschirmender Film 37 ist auf der Isolationsschicht 36 aufgetragen. Der lichtabschirmende Film 37 wird durch Metalle, wie Mo, Cr oder W gebildet, welche einen hohen Schmelzpunkt aufweisen, oder auch durch Siliziumverbindungen dieser Metalle mittels eines CVD-Verfahrens oder des sogenannten "Sputterns" (Zerstäubens).
Schließlich wird in der Ausnehmung 35 dielektrisches Material 38, wie beispielsweise Polysilikon, welches eine gute Haftung bezüglich eines Metalles mit hohem Schmelzpunkt aufweist, angeordnet. Eine isolierende Schicht 39 aus Siliziumoxyd wird über der P+-Schicht 32 und dem I-solationsbereich aufgetragen. Das den dielektrischen Körper 38 bildende Polysilikon ist undurchsichtig, kann aber auch durch ein transparentes dielektrisches Material gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ersetzt werden.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel der lichtabschirmende Film 37 im Isolationsbereich vorgesehen ist, wird ein schräg einfallender Lichtstrahl 40 an der Grenzfläche zwischen der isolierenden Schicht 36 und dem lichtabschirmenden Film 37 reflektiert, so daß er nicht in die benachbarte Photodiode 33 gelangt. Ist der lichtabschirmende Film 37 nicht vorgesehen, so könnte der einfallende Lichtstrahl 40 auch auf die benachbarte Photodiode 33 treffen, so daß das Auflösungsvermögen verringert würde. In einem Farb-Festkörper-Bildsensor mit Rot-, Grün- und Blau-Filtern vor den Photodioden würde eine Farbmischung zwischen Rot, Grün und Blau eintreten, wenn die Signal-Trennung zwischen benachbarten photoelektrischen Wandlern nicht wirksamer durchgeführt wird als bei Schwarz/ Weiß-Bildsensoren. Derartige Farbmischungen verschlechtern die Farb-Reproduktion in großem Ausmaß, so daß erhebliche Schwierigkeiten bei Farb-Bildsensoren auftreten. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Wanderung von photoelektrischen Ladungen zwischen benachbarten photoelektrischen Wandlern wirksam durch den tiefen Isolationsbereich verhindert und weiterhin verhindert der abschirmende Film 37, daß Lichtstrahlen gleichzeitig auf zwei benachbarte photoelektrische Wandler treffen. Auch hierdurch wird die genannte Farbmischung unterdrückt. Somit lassen sich sehr scharfe und deutliche Farb-Reproduktionen erzielen.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein Siliziumkristall-Halbleiterplättchen verwendet, doch lassen sich auch Chips aus zusammengesetzten Halbleitertypen oder auch amorphe Chips verwenden. Das photoelektrische Wandlerelement muß nicht notwendig eine Photodiode sein, es können auch Phototransistoren verwendet werden. Wird weiterhin im in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ein undurchsichtiger dielektrischer Körper in der Ausnehmung eingebettet, so kann der lichtabschirmende Film weggelassen werden.
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen ist die Ausnehmung V-förmig, sie kann jedoch auch andere Querschnitte aufweisen, beispielsweise U-förmig sein oder auch einen rechtwinkligen Querschnitt aufweisen. Das Verhältnis von Breite zu Tiefe ist allerdings immer sehr klein, d.h. die Breite der Ausnehmung ist wesentlich kleiner als ihre Tiefe.
- Leerseite -

Claims

Patentansprüche: Festkörper-Bildsensor mit einem Halbleiter-Plättchen (21, 31), in dem eine Vielzahl von photoelektrischen Wandlerelementen (23, 24; 33, 34) zwei-dimensional ausgebildet sind, die von Isolationsbereichen (25, 26, 27; 35, 36, 37, 38) umfangen sind, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Isolationsbereiche(25, 26, 27; 35, 36, 37, 38) eine schmale, tiefe Ausnehmung (25, 35) aufweisen, die sich von der Oberfläche des Halbleiter-Plättchens (21, 31) bis tief in sie hinein erstreckt, sowie eine isolierende Schicht (26, 36) in der Ausnehmung (25, 35) und einen dielektrischen Körper (27, 38), der auf der isolierenden Schicht (26, 36) ausgebildet und in die Ausnehmung (25, 35) eingebettet ist.
2. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der dielektrische Körper (27, 38) aus transparentem dielektrischen Material gebildet ist.
3. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß das transparente dielektrische Material SiO2, Ta2O5, Si3N4, Al203 oder MgO ist.
4. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der dielektrische Körper (38) aus undurchsichtigem dielektrischen Material gebildet ist.
5. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß als undurchsichtiges dielektrisches Material Polysilikon gewählt ist.
6. Festkörper-Bildsensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß ein lichtabschirmender Film (37) zwischen der isolierenden Schicht (36) und dem dielektrischen Körper (38) angeordnet ist.
7. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der lichtabschirmende Film (37) aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt gebildet ist.
8. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß als Metall Mo, Cr oder W vorgesehen sind.
9. Festkörper-Bildsensor nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die isolierende Schicht (26, 36) aus einem Oxyd des Halbleitermaterials gebildet ist.
10. Festkörper-Bildsensor nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die isolierende Schicht (26, 36) aus einem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet ist.
11. Festkörper-Bildsensor nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Ausnehmung (25, 35) einen V-förmigen Querschnitt aufweist.