DE3543856A1 - Ccd-matrix mit spaltentransfer und punktweisem anti-blooming - Google Patents

Description

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CCD-Matrix rait Spaltentransfer und punktweisem Anti-Blooming

Die Erfindung beinhaltet ein neuartiges Konzept für den Aufbau einer CCD-Matrix mit (Bild-) Spaltentransfer und punktweisem Anti-Blooming· Solche Matrizen finden Verwendung in Bildpunktaufnahmesystemen»

CCD-Matrizen mit (Bild-) Spaltentransfer besitzen gegenüber denjenigen mit Bildtransfer Vorteile» So muß bei ihnen nur das horizontale Ausleseregister schnell sein (typische Bildpunktfrequenz ist 10 MHz), Die in großer Anzahl vorhandenen Vertikalregister arbeiten im Rhythmus der Zeilenfrequenz (ca· 16 kHz)· Bei Matrizen mit Bildtransfer muß die Übertragung des Bildes vom sensitiven Teil in den Speicherteil sehr schnell erfolgen, um op tisch erzeugte Verschmierungen des Bildinhaltes zu ver meiden« Wünschenswert ist daher bei Matrizen mit Bildtransfer eine sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeit der Vertikalregister, was mit den gebräuchlicherweise verwendeten Elektroden kaum zu bewerkstelligen ist· Matrizen mit Spaltentransfer ermöglichen gegenüber denjenigen mit Bildtransfer einen echten Interlacing-Betrieb (Zeilensprungverfahren),

Es ist jedoch nicht einfach, bei CCD-Matrizen mit Spaltentransfer ein kleines Raster zu erreichen, da zu jeder CCD-Zelle im Vertikalregister noch ein Sensor und ein Trans-

fergebiet zwischen Sensor und Vertikalregister hinzukommt· Ganz kritisch betreffs eines kleinen Rasters wird es, wenn eine auf jeden Bildpunkt getrennt wirkende Anti-Blooming-Einrichtung gefordert wird_# Solche Anti-Blooming-Einrichtungen sind jedoch für CCD-Matrizen bei Aufnahmen von Szenen mit normaler Beleuchtung fast unerläßlich«

In einer bekannten Ausführung (Toshiba-Matrix TCD 2026) besteht eine Spalte der Matrix aus je einem Vertikalregister, in Spaltenrichtung aufgereihten Sensorbauelementen₍ einem Übertragungsbereich zwischen Vertikalregister und Sensoren« ein sich längs der gesamten Spalte erstreckendem Anti-Blooraing-Drain und einem "Oberlauf-Bereich zwischen Sensoren und Anti-Blooming-Drain« Die einzelnen Matrixspalten sind durch Kanal-Stopper-Gebiete lateral voneinander getrennt»

Es ist das Ziel der Erfindung« die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, d«h« CCD-Matrizen mit Spaltentransfer für den Einsatz in Bildpunktaufnahmesystemen geeignet zu machen«

Oer vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine CCD-Matrix mit Spaltentransfer und punktweisem Anti-Blooming zu konstruieren, die ein wesentlich kleineres Raster als herkömmliche Lösungen gestattet« und die darüberhinaus mit einer geringen Anzahl von Elektrodenebenen auskommt»

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein neuer Aufbau der Matrix vorgeschlagen» Die vertikalen Schieberegister werden so konstruiert, daß eine Kontaktierung der Registerelektroden über einzelne Kontaktlöcher längs der Register nicht notwendig ist«

Erfindungsgemäß werden im photosensitiven Teil der Matrix zwei Sensorspalten nur ein vertikales Schieberegister und ein Anti-Blooming-Drain zugeordnet« In jeder Zeile sind ausdrücklich zwei Sensoren pro Vertikalregister vorhanden, links und rechts vom vertikalen Schieberegister positioniert« Oedem Speichergebiet im Vertikalregister ist ein (und nur ein) bestimmter Sensor zugeordnet« Zwischen zwei Sensorspalten,

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die benachbarten Vertikalregistern zugeordnet sind, ist das Anti-Blooming-Drairi angeordnet, wobei zwischen den Sensorspalten und dem Anti-Blooming-Drain je eine Transferelektrode gelegt ist· Verfolgt man den lateralen Aufbau längs einer Zeile der Matrix, so findet man folgende Gebiete:

Vertikalregister - Sensor - Transferelektrode - Antibloomingdrain - Transferelektrode - Sensor - Vertikalregister Sensor usw* In vertikaler Richtung ist kein durchgehendes ^q Kanal-Stopper-Gebiet vorhanden.

Bei Realisierung eines kleinstmöglichen Rasters gestaltet man normalerweise das Antibloomingdrain mit den beiden angrenzenden Transferelektroden schmaler (in horizontaler Richtung)· Der Abstand zwischen zwei Sensorspalten, über das Vertikalregister hinweg gemessen, ist dann (normalerweise) größer als über die Antibloomingeinrichtung hinweg. Die Sensorspalten erscheinen in diesem Fall paarig angeordnet. Allerdings ist diese Abstandedifferenz nicht groß. Bei einem horizontalen Raster von 23 Aim können die Center- ^Λ Center-Abstände zwischen den Sensorspalten folgende Werte haben: Ober das Vertikalregister hinweg gemessen 27 ,um, und über die Antibloomingeinrichtung hinweg 19 Aim. Das ergibt eine Mittelpunktverschiebung von + 2 ,um gegenüber dem 23 Aira-Raster»

Eine Verschiebung von + 2,um in horizontaler Richtung ergibt eine nur geringfügige Verschlechterung der horizontalen Auflösung* wenn mit dieser Matrix ein Schwarz-Weiß-Bildsignal gewonnen wird und wenn die Bildpunkte einer Zeile mit konstanter Frequenz ausgelesen werden. Für eine farbselektive Bildaufnahme gibt es praktisch keine Verschlechterung der horizontalen Auflösung, wenn man den paarigen Sensorspalten jeweils grün-rot und grün-blau (oder weißgelb und weiß-cyan) zuordnet. Die damit erfolgende Bevorzugung des Grünanteils (bzw, Weißanteils) ist bei der farbselektiven Bildaufnahme mit nur einem Chip erwünscht·

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Oie Vertikalregieter übernehmen die Bildeignale der links und rechts von ihnen liegenden Sensoren und transportieren diese Signale zur horizontalen Auslesezeile. Für alle weiteren Betrachtungen sei angenommen ι daß die Vertikalregister die Ladungen von oben nach unten und das Horizontalregister die Ladungen von rechts nach links transportieren« Das Horizontalregister muß eine Stufenanzahl besitzen, die mindestens doppelt so groß ist wie die Anzahl der Vertikalregister· Eine Stufe besteht aus zwei CCD-Grundzellen, jede Zelle umfaßt ein Speicher- und ein Transfergebiet·

Erfindungsgemäß wird nur ein Vertikalregister für die beiden links und rechts von ihm liegenden Sensorspalten verwendet« welches im Zweiphasenbetrieb arbeitet und so konstruiert ist, daß die Elektrode der ersten Taktphase längs der Spalte durchgängig gezogen werden kann, während die. Elektrode der zweiten Taktphase quasi streifenförmig über der Elektrode (bzw, den Elektroden) der ersten Takt«· phase längs der Spalte verläuft· Dadurch ist eine Kontaktierung einzelner Elektroden im Register nicht notwendig· Die Matrix mit Spaltentransfer arbeitet vorzugsweise im Interlacingbetrieb, d«h_# es werden Halbbilder ausgelesen« ζ·Β« zunächst alle ungeradzahligen Zeilen, danach alle geradzahligen Zeilen« wiederum die ungeradzahligen Zeilen usw. Das in dieser Erfindung vorgeschlagene Vertikalregister besitzt pro Zeile eine Stufe· (Dazu kommen evtl« noch, wie weiter unten ausgeführt, am unteren Registerende zusätzliche Stufen). Die Anordnung der Stufen im Vertikalregister wird erfindungsgemäß so getroffen, daß die links und rechts vom Register liegenden Sensoren einer Zeile ihre Signalladungen in die Speichergebiete von zwei hintereinander liegenden Stufen des Vertikalregisters übergeben. In Transportrichtung des Vertikalregisters liegt die Signalladung des linken Sensors vor der des rechten Sensors· Die zeilenweise Obergabe der Signalladungen aus den Vertikalregistern in das horizontale Ausleseregister erfolgt erfindungsgemäß über zwei Takte«

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Im ersten Takt werden die Ladungen aller links von den Registern gelegenen Sensoren ins horizontale Ausleseregister übertragen und werden dort anschließend um eine Position von rechts und links (durch einen entsprechenden Impuls am horizontalen Aueleseregister) verschoben· Danach fließen im zweiten Takt die Ladungen aller rechts von den Registern gelegenen Sensoren ins horizontale Ausleseregister· Das horizontale Ausleseregister enthält nunmehr die Information einer kompletten Zeile, im üblichen Modus werden die Bildpunktladungen seriell zum Ladungsdetektor geschoben und dort in ein äquivalentes Spannungssignal gewandelt« Nach Auslosung des horizontalen Registers wiederholen sich die zwei Takte zur Übernahme der Information der nächsten Zeile«

Als Sensorzeilen werden vorzugsweise elektrodenlose Sensoren verwendet» Sehr günstig sind solche mit einem Volumenkanal und überdeckender Kanal-Stopper-Schicht. Typische Vertreter solcher Anordnungen sind in derV^rfindungsanmel-, dung WP H 01 L/253669/1 und in der US-PS 4229752 beschrieben. Die Sensoren aus der WP H 01 L/253669/1, dort "Vergrabener Fotosensor" genannt, besitzen exzellente Eigenschaften für CCD-Zeilen, benötigen jedoch ein zusätzliches Speichergebiet und kommen dadurch für'eine Matrix mit gefordertem kleinsten Raster nicht in Betracht· Die Anordnung aus der US-PS 4229752 ist eine elektrodenlose BCCD-Zelle, die dort verwendete extrem dünne überdeckende Kanal-Stopper-Schicht wird in der PS als "Virtual Phase" bezeichnet. Die in vorliegender Erfindung benutzten Sensoren sind BCCD-Gebiete mit Überdeckender Kanal-Stopper-Schicht, wobei diese Kanal-Stopper-Schicht nicht extrem dünn zu sein braucht. Die im BCCD-Geblet fotogenerierte Ladung wird im selbigen Gebiet gespeichert· -

Die für eine Ladungsübertragung aus den Sensoren in die Speichergebiete der Vertikalregister notwendigen Gebiete sind im Rahmen dieser Erfindung vorzugsweise unter den Registerelektroden positioniert« Erfindungsgemäß wird dafür ein schmales Dotierungsgebiet vom Substratleitungstyp verwendet, dessen Dotierungsdosis so groß gewählt wurde, daß

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es bei den am Vertikalregister zur Anwendung kommenden Transporttaktimpulsen seinen Leitungstyp beibehält, also nicht völlig an Majoritätsträgern verarmt· Zum Auslesen der Sensoren wird an die entsprechenden Registerelektroden eine so große Spannung gelegt, daß dieses Transfer-Dotierungsgebiet völlig an Majoritätsträgern verarmt und das elektrische Potential in diesem Dotierungsgebiet sich proportional der an die Registerelektrode angelegten Spannung ändert· Dadurch wird die Potentialschwelle zwischen Sensor und Register-Speichergebiet abgebaut, und die Signalladung kann aus dem Sensor in das (Register-)Speichergebiet fliessen. Dieses Transfer-Prinzip ist sowohl mit einem Oberflächenkanal als auch mit einem Volumenkanal ausführbar« Oe nachdem, ob dieser Obernahmeimpuls an die Elektroden der einen Taktphase oder der anderen Taktphase gelegt wird, erfolgt die Auslesung der Sensoren sämtlicher ungeradzahligen oder geradzahligen Zeilen»

Die Transferelektroden, welche jeweils zwischen Antibloomingdrain und Sensorspalte positioniert sind, werden vorzugsweise aus einer der für das Vertikalregister benötigten Elektrodenebene herausstrukturiert· Dadurch wird die Anzahl der benötigten Ebenen nur durch den Aufbau des Vertikalregisters bestimmt« Da das Antibloomingdrain von zwei Elektroden der gleichen Ebene eingegrenzt wird, ist die Breite dieses Drains durch einen Strukturierungsschritt festgelegt und kann minimal gestaltet werden· Das Antibloomingdrain könnte bei der Source- und Draindiffusion dotiert werden, In dieser Erfindung wird jedoch vorzugsweise als Antibloomingdrain ein Volumenkanal mit überdeckter Kanal-Stopper-Schicht verwendet« Für eine Antibloomingwirkung genügt es, wenn dieses Drain das gleiche vertikale Dotierungsprofil wie das Sensorgebiet aufweist, es wird dann technologisch zugleich mit den Sensoren hergestellt. Zum Betrieb werden am Rand des aktiven Matrixgebietes aus den einzelnen Voluraenkanälen die Ladungsträger Über in Sperrichtung gepolte Dotierungsgebiete von zum Substrat umgekehrten Leitungstyp entfernt· An die Transferelektroden wird eine solch

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große Spannung gelegt, daß die Potentialschwelle zwischen Sensor und Antibloomingdrain etwas kleiner ist als diejenige zwischen Sensor und Vertikalregister· Soll eine Regelung der Belichtungszeit erfolgen, so wird in den als Antibloomingdrain verwendeten Volumenkanälen eine zusätzliche Menge (gegenüber dem Sensorgebiet) von Dotanden des zum Substrat umgekehrten Leitungstyps eingebracht. Die am Matrixrand an die Antiblooraingdrains angekoppelten Dotierungsgebiete werden auf solch hohes Sperrpotential gelegt, daß die Potentialmulde im Antibloomingdrain tiefer ist als diejenige im völlig an Minoritätsladungsträgern verarmten Sensor· Wird an die Transferelektroden eine solch hohe Spannung gelegt, daß die Potentialschwelle zwischen Sensoren und Antibloomingdrain vollständig abgebaut wird, so fließen sämtliche generierten Ladungsträger sofort ins Antibloomingdrain·

Erst nach Verringerung der an die Transferelektroden gelegten Spannung auf ihren Norraalwert wird mit der nun wieder existierenden Potentialbarriere die generierte Ladung im Sensor gesammelt·

Im Rahmen dieser Erfindung werden drei Ausführungsformen des Vertikalregisters vorgeschlagen»

In der ersten Variante sind die Elektroden schräg von rechts unten nach links oben verlaufend angeordnet* Bei einem Winkel von 45 muß dann das Register mindestens so breit wie das Rastermaß in vertikaler Richtung sein.

Innerhalb der durch das vertikale Raster vorgegebenen Distanz wird eine Stufe des Registers realisiert, d.h. zwei CCD-Grundzellen mit je einem Speicher- und Transfergebiet. 3ede der beiden CCD-Grundzellen wird durch jeweils der gleichen Elektrodenebene angehörende Elektroden gesteuert. Beispielsweise könnten die Grundzellen der ersten Taktphase durch Elektroden der ersten Elektrodenebene und die Grundzellen der zweiten Taktphase durch Elektroden der zweiten Elektrodenebene gesteuert werden· Die schräg angeordneten Elektroden werden so zu den Sensorelementen positioniert, daß in der Beruh-

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rungslinie von Register zur Sensorspalte die Grenze zwischen zwei CCD-Grundzellen des Registers etwa mit der vertikalen Abgrenzung zweier Sensoren zusammenfällt»

Die CCD-Grundzellen jeweils einer Taktphase sind alternierend rechts- und linksseitig für einen Ladungstransfer gesperrt, z,B, durch ein einzelnes Kanal-Stopper-Gebiet ,· an den ungesperrten Seiten kann eine Ladungsübertragung aus den Sensoren in die Speichergebiete der CCD-Grundzellen erfolgen»

Durch dieses Schema wird erreicht_# daß alle Sensoren der ungeradzahligen Zeilen in die (Register-)Speichergebiete der einen Taktphase und sämtliche Sensoren der geradzahligen Zeilen in die (Register-)Speichergebiete der anderen Taktphase ausgelesen werden» Die geforderte Positionierung der Signalladungen im Register, nämlich die Ladung des linksseitigen Sensors einer Zeile vor der des rechtsseitigen Sensors, wird durch die schräge Anordnung der Elektroden gewährleistet .

In der ersten Variante mitschrägen Elektroden ist die Elektrode der ersten Taktphase zusammenhängend geführt, indem sie immer an der für den Ladungstransfer gesperrten Stirnseite der von der zweiten Taktphase gesteuerten CCD-Grundzelle durchgezogen wird, so daß sie in Längsrichtung des Registers die nächste CCD-Grundzelle der ersten Taktphase erreicht· Die Elektrode der zweiten Taktphase bedeckt die von der ersten Elektrode nicht erfaßten Gebiete und kann darüberhinaus über die erste Elektrode hinweg geführt werden, so daß sie quasi streifenförmig fast das gesamte Vertikalregister bedeckt·

Diese erste Variante eines Vertikalregisters verlangt, wenn in vertikaler Richtung ein kleines Rastermaß gefordert ist, die Realisierung von sehr kleinen Stegbreiten·
Durch die schräge Elektrodenführung wird die Stegbreite, senkrecht zur Elektrodenkante gemessen, kleiner als bei waage-

rechter Führung, gleiches vertikales Rastermaß vorausgesetzt. (Bei 45°-Schrägen reduzieren sich die Stegbreiten um den Faktor 2"*¹/²).

Die im folgenden erläuterten zweite und dritte Variante des Vertikalregisters werden auf Grund ihrer günstigen Konstruktion bevorzugt in der erfindungsgeraäßen CCD-Matrix verwendet· Die zweite Variante eines Vertikalregisters sieht in horizontaler Richtung innerhalb des Registers eine Trennung der wiederum schräg geführten Elektroden vor. Dabei wechseln jetzt nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in horizontaler Richtung ständig Elektroden der ersten und zweiten Taktphase einander ab.

Der Ladungstransport wird durch geeignete kurze Kanal-Stopper-Gebiete von CCD-Grundzelle zu CCD-Grundzelle folgendermaßen gelenkt: In der rechten Hälfte des Vertikalregisters vertikal nach unten - schräg nach oben zur linken Hälfte - in der linken Hälfte vertikal nach unten schräg nach unten zur rechten Hälfte - in der rechten Hälfte des Vertikalregisters vertikal nach unten usw. Durch diese Richtungsführung und die bereits erwähnte alternierende Anordnung von Elektroden der ersten und zweiten Taktphase wird erreicht ι daß sämtliche Sensoren aller un~ geradzahligen Zeilen in die (Register-)Speichergebiete der einen und sämtliche Sensoren aller geradzahligen Zeilen in die (Register-)Speichergebiete der anderen Taktphase ausgelesen werden· Außerdem wird die geforderte Positionierung der Signalladungen ira Vertikalregister, nämlieh diejenige des linksseitigen Sensors vor der des rechtsseitigen Sensors einer gleichen Zeile, gewährleistet·

Infolge der Trennung der schräg geführten Elektroden in horizontaler Richtung steht in vertikaler Richtung pro CCD-Grundzelle mehr Platz zur Verfügung, Damit werden die Stegbreiten gegenüber der ersten Variante größer, was vorteilhaft für die technologische Realisierung ist.

Die Realisierung eines Vertikalregisters der zweiten Variante ist mit einem CCD-Register-Typ möglich, wie er in der DDR-Erfindungsanmeldung WP H 01 L/266477/0 beschrieben ist.

Dieser Register-Typ, ein Zweiphasen-CCD, benötigt drei Elektroden-Ebenen, Oie erste Taktphase wird von Elektroden der ersten und zweiten Ebene gebildet« wobei diese Ebenen nicht voneinander isoliert sein müssen, da sie an die gleiche elektrische Spannung gelegt werden· Die zweite Taktphase wird von Elektroden der dritten Ebene gebildet. Das Vertikalregister der zweiten Variante ist erfindungsgemäß derart unter Verwendung des Grundtyps aus dervErfindungsanmeldung WP H Ol L/266477/0 konstruiert,

£Q daß sämtliche Transfergebiete, die zur Grundzelle der ersten Taktphase gehören und damit von der Elektrode der zweiten Elektroden-Ebene kontrolliert werden, in der Mitte des Registers angeordnet sind. Die Elektrode der zweiten Elektrodenebene ist in der Mitte des Vertikalregisters durchgezogen und besitzt alternierend nach links und rechts kurze "Seitenäste", welche die einzelnen Elektroden der ersten Ebene teilweise überlappen· Oa zwischen erster und zweiter Elektrodenebene keine Isolation notwendig ist, werden die einzelnen Elektroden der ersten Ebene über die Elektrode der zweiten Ebene kontaktiert. Die Elektrode der dritten Ebene verläuft quasi streifenförmig längs des gesamten Vertikalregisters über den Elektroden der ersten und zweiten Ebene. Am oberen und unteren Rand der Matrix können die Elektroden der zweiten und dritten Ebene über eine Leitbahnebene kontaktiert werden,

Bestehen die Elektroden des Vertikalregisters aus einem optisch transparenten Material (z»B» aus polykristallinem Silizium), so muß ein Lichtschutzgate über dem Register angebracht werden. Dafür empfiehlt es sich, einen Streifen der Leitbahnebene, falls diese aus optisch nichttransparentem Material ist (z,B, Al), zu nehmen, der das Potential der Elektrode der dritten Ebene führt. Man kann dann auch eine zusätzliche Kontaktierung der dritten Elektrode erreichen, indem ein Schlitz oder eine Folge einzelner Kontaktfenster längs des gesamten Vertikalregisters in den normalerweise zwischen Leitbahnebene und darunter

liegenden Ebenen angeordneten Isolierfilm ausgeätzt werden. Normalerweise hat man jedoch eine solche zusätzliche Kontaktierung nicht nötig. Da die Impulsanstiegs- und Abfallzeiten für das Vertikalregister im Ais-Bereich liegen können, ist selbst bei mittelmäßig leitendem Elektrodenmaterial wie polykristallinem Silizium, trotz der dadurch bedingten merklichen RC-Werte eine ordentliche Funktion der Vertikalregister gesichert.

Noch vor Aufbringen der ersten Elektrodenebene wird die Dotierung, die für das Übertragungsgebiet zwischen den Sensoren und den Speichergebieten der Vertikalregister benötigt wird, eingebracht· Diese Dotierung wird zunächst als relativ breiter Streifen angeordnet, die gesamte Fläche zwischen den einzelnen Vertikalregistern bedeckend und eine gewisse Distanz (der späteren Breite der eigentlichen Übertragungsgebiete) unter das (spätere) Vertikalregister reichend» Ebenfalls vorher werden eine Dotierungszone vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp zur Realisierung des späteren Ladungstransportes in einem Volumenkanal (BCCD) und geeignete Kanal-Stopper-Gebiete eingebracht·

Nach Strukturierung der dritten Elektrodenebene werden die endgültigen Dotierungsprofile in den Sensoren und im Antibloomingdrain hergestellt. Dazu werden großflächig, mit den Elektrodenkonfigurationen (und Kanal-Stopper-Gebieten) als Maske, hintereinander zwei Implantationen ausgeführt; Es werden tief ein Dotand vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp und flach ein Dotand vom Substratleitungstyp eingebracht· Die Dosis des Dotanden vom Substratleitungstyp wird derart bemessen, daß,, im Zusammenwirken mit der bereits zu Beginn eingebrachten Dotierungszone, welche für den Übertragungsbereich zwischen Sensoren und Vertikalregister benötigt wurde, unmittelbar von der Halbleiteroberfläche bis in eine gewisse Tiefe hinein eine Kanal-Stopper-Schicht entsteht. Diese Kanal-Stopper-Schicht schirmt das darunterliegende Halbleitervolumen gegen äußere elektrische Felder ab.

Oie Dosis des tief eingebrachten Dotanden vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp wird so groß gewählt, daß in den von beiden Implantationen erreichten Gebieten, im Bildumwandlungsteil der Matrix sind das die Sensoren und das Antibloomingdrain, eine Speicherung von Signalladung bzw. ein Abfluß überschüssiger Ladung gewährleistet wird» Soll die Antibloomingeinrichtung außerdem zur Belichtungszeitregelung eingesetzt werden« so kann über eine Lackmaske, die nur die Antibloomingdraingebiete freiläßt, eine zusätzliche Menge von Ootanden mit zum Substrat entgegengesete· ten Leitungstyp eingebracht werden·

Ein besonders kleines Raster wird mit der dritten im Rahmen dieser Erfindung vorgeschlagenen Variante des Vertikalregisters erreicht. Zur Konstruktion wird vom Grundaufbau eines Zweiphasen-BCCD-Typs ausgegangen, wie er in der DDR-Erfindungsanmeldung WP H Ol L/266476/2 beschrieben ist. In diesem BCCD werden die Längen sämtlicher Transfer- und Speichergebiete in einem Strukturierungsschritt festgelegt· Dadurch wird eine große geometrische Präzision erreicht, und es kann problemlos ein kleines Raster realisiert werden. Dieses BCCD kommt mit zwei Elektrodenebenen aus·

Noch vor Aufbringen der ersten Elektrodenebene werden wie bei der zweiten Variante die Dotierungszone vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp für den späteren Volumenkanal, die für die Übertragungsgebiete benötigte Dotierung und geeignete Kanal-Stopper-Gebiete eingebracht·

Die Elektrode der ersten Ebene iet länge des Vertikalregisters zusammenhängend und etwa S-förmig derart geführt, daß sie die den Sensoren aller beispielsweise geradzahligen Zeilen zugeordneten (Register-)Speichergebiete bedeckt·

Die den Sensoren der übrigen (beispielsweise ungeradzahligen) Zeilen zugeordneten (Register-)Speichergebiete (und die Tr_ansfergebiete) werden von der Elektrode der zweiten Ebene bedeckt· Längs des Registers ist diese zweite Elektrode als

Streifen ausgeführt, ganz oder zumindest teilweise die erste Elektrode bedeckend* Durch diese Anordnung der Elektroden wird erreicht, daß sämtliche Sensoren aller ungeradzahligen Zeilen in die (Register-)Speichergebiete der einen und sämtliche Sensoren aller geradzahligen Zeilen in die (Register-)Speichergebiete der anderen Taktphase ausgelesen werden* Außerdem wird die geforderte Positionierung der Signalladungen im Vertikalregister, nämlich diejenige des linksseitigen Sensors vor der des rechtsseitigen Sensors einer gleichen Zeile, gewährleistet· Für Details sei hier auf das entsprechende dritte Ausführungsbeispiel verwiesen*

Die das Antibloomingdrain eingrenzenden Transferelektroden werden in der dritten Variante vorzugsweise aus der ersten Elektrodenebene herausstrukturiert· Im Vertikalregister sind, wie in derrErfindungsanmeldung VVP H 01 L/266476/2 beschrieben, nach der ersten Strukturierung der ersten Elektrodenebene auch die zukünftigen Speichergebiete der zweiten Taktphase, die später von der Elektrode der zweiten Ebene kontrolliert werden, von Elektroden der ersten Ebene bedeckt» Die Herstellung der endgültigen Dotierungsprofile in den Sensoren und im Antibloomingdrain geschieht mittels der oben erläuterten zwei hintereinander ausgeführten Implantationen mit der ersten Elektrodenebene als Maske (und einer zusätzlichen Lackmaske im Vertikalregister), entweder gleichzeitig mit den für eine BCCD nach WP H 01 L/266476/2 benötigten Implantationen zur Realisierung der Transfergebiete mit überdeckter Kanal-Stopper-Schicht oder als gesonderter Schritt, Dadurch sind mit der ersten Elektrodenkonfiguration nicht nur die Längen sämtlicher Speicher- und Transfergebiete, sondern auch die Breiten aller Sensoren festgelegt· Wiederum kann im weiteren Ablauf wie bei der zweiten Variante das Antibloomingdrain eine zusätzliche Dotierung erhalten·

Am unteren Rand der Matrix, zwischen dem photosensitiven

Teil und dem horizontalen Ausleseregister, werden erfindungsgemäß die Vertikalregister vorzugsweise um wenigstens zwei BCCD-Grundzellen, die nicht an Sensoren grenzen, verlängert» Dadurch können die für die Vertikalregister benötigten beiden, längs der Register zusammen hängenden Elektroden auch am unteren Rand problemlos zusammenhängend bis zu den seitlichen Rändern der Matrix geführt werden· Die beiden für die Vertikalregister benötigten Elektroden bilden somit für die gesamte Matrix zwei "große" Kämme, wodurch die Kontaktierung der beiden Elektrodenkonfigurationen enorm erleichtert wird. Die "Leerzeile" am unteren Rand ist für die Gesamt-Impulsfolge zu berücksichtigen«

Die Erfindung soll an einem Aueführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert werden·

In den Zeichnungen zeigen:

Fig« 1: Schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Matrix

Fig» 2: Ausschnitt aus der Matrix nach Fig. 1

^Fi9· 3t Schematische Draufsicht auf ein Vertikalregister der ersten Variante

Fig. 4: Schematische Draufsicht auf ein Vertikalregieter der zweiten Variante

Fig. 5$ Layout-Ausschnitt mit Vertikalregieter der zweiten Variante

Fig, 6: Querschnitte und Potentialverläufe Fig. 7: Potential-Gatespannung-Diagramm

Fig. 8: Layout-Ausschnitt mit Vertikalregister der dritten Variante

Fig· 9ί Layout-Ausschnitt mit Vertikalregister der dritten Variante (oberer Rand der Matrix)

Fig.10: Querschnitt und Potentialverlauf Fig.llj Querschnitt und Potentialverlauf

Im Ausführungsbeispiel wird von einem p-leitenden Si-Substrat ausgegangen« Natürlich sind auch andere Halbleitermaterialien verwendbar♦ Selbstverständlich ist die Erfindung auch mit η-leitenden Substraten realisierbar* Die entsprechend einzubringenden Dotierungen sind dann jeweils vom entgegengesetzten Leitungstyp·

Desweiteren wird als Elektrodenmaterial polykristallines Silizium angegeben· Selbstverständlich können auch andere geeignete Materialien« insbesondere Silizide, verwendet werden»

Es ist in den folgenden Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit darauf verzichtet worden, das Lichtschutzgate, welches die Vertikalregister gegen Lichteinfall schützt, einzuzeichnen· Die Positionierung des Lichtschutzgates ist für den Fachmann klar und nicht Gegenstand dieser Erfindung· Für die in dieser Erfindung vorgeschlagenen Vertikalregister kann das Lichtschutzgate das gleiche elektrische Potential wie die oberste, quasi streifenförmig verlaufende Elektrode führen, was die Konstruktion zusätzlich vereinfacht·

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Matrix gemäß dieser Erfindung, in dieser Figur mit beispielsweise sechzehn Zeilen und sechzehn Spalten dargestellt. Mit 10 sind die links von den Vertikalregistern 13 gelegenen Sensorspalten und mit 11 die rechte gelegenen bezeichnet· Zwei der Sensorspalten ist jeweils eine Antibloomingeinrichtung 12 und ein Vertikalregister 13 zugeordnet» Die Vertikalregister 13 transportieren die Signalladungen zeilenweise zum horizontalen Ausleseregister 14· Die Bildinformation einer kompletten Zeile wird über das Horizontalregister 14 seriell zum Ladungsdetektor befördert· Die Gebiete 16 sind Kanal-Stopper-Gebiete zur lateralen Begrenzung aktiver Bereiche. Die in Fig· I eingezeichneten Pfeile deuten die Richtung des Ladungstransportes an.

Fig. 21 ist ein Ausschnitt aus der erfindungegeraäßen Matrix. Die Antibloomingeinrichtung 12 besteht aus dem Antibloomingdrain 20, und zwei dieses Drain eingrenzenden Transferelektroden 21« Die geradzahligen Zeilen mögen mit 22 und die ungeradzahligen mit 23 bezeichnet sein· Die eingezeichneten Pfeile 25 und 24 deuten an« daß von Halbbild zu Halbbild abwechselnd die Sensoren der ungeradzahligen und der geradzahligen Zeilen in die Vertikalregister 13 ausgelesen werden· Das Raster ist in Fig« 2a zu 16/Um (vertikal) und 46,um (horizontal) angenommen, wobei zu jeder Rasterzelle zwei Sensoren gehören* Fig, 2b zeigt eine Reihe von Sensorelementen 26, welche in einem horizontalen Raster von 23 Aim angeordnet sind. Die horizontalen Abweichungen in der Lage der Sensoren beider Raster betragen + 2 um, wie den Fig« 2a und b maßstäblich entnommen werden kann*

Fig· 3 ist eine schematische Oraufsicht auf ein Vertikalregister 13 der ersten Variante· Mit 30 ist dabei die Elektrode der ersten Taktphase bezeichnet, welche eine der bei· den für das Register benötigten CCD-Grundzellen steuert» Die Elektrode 30 ist längs des Registers durchgezogen und bedarf somit innerhalb des Registers keiner Kontaktierung· Die Elektrode der zweiten Taktphase, welche die CCO-Grundzellen 31 steuert, ist in Fig, 3 nicht eingezeichnet* Sie würde quasi streifenförmig längs des Registers 13 verlaufen und zumindest teilweise die Elektrode 30 überdecken.

Ebenfalls nicht in Fig* 3 eingezeichnet sind die Feinstruktur der CCD-Grundzellen, die Übertragungsbereiche zwischen den Sensoren und dem Register 13 sowie zur lateralen Trennung benötigte Kanal-Stopper-Geblete, Die Sensoren der geradzahligen Zeilen 22 werden in Pfeilrichtung 24 und die der ungeradzahligen Zeilen 23 in Pfeilrichtung 25 ins Register 13 ausgelesen. Der Pfeil 32 symbolisiert die Richtung des Ladungstransportes im Vertikalregister 13,

Fig· 4 let eine scheinatische Draufsicht auf ein Vertikalregister 13 der zweiten Variante, Hier wechseln nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in horizontaler Richtung ständig Elektroden 40 der ersten Taktphase mit Elektroden 41 der zweiten Taktphase einander ab. Die Pfeile 42 symbolisieren die Richtung des Ladungstransportes im Vertikalregister 13, die durch Kanal-Stopper-Gebiete 43 vorgegeben sind.

Fig« 5 zeigt einen Ausschnitt aus dem Layout der zweiten Variante} es sind die wichtigsten Ebenen eingezeichnet· Es ist ein Raster von 16 Aim (vertikal) mal 48 ,um (horizontal) gewählt, wobei jede Rasterzelle zwei Sensoren enthält. Zusätzlich zu den bereits erklärten Bezugszahlen bedeuten: 50 - Obertragungsgebiet zwischen Sensoren und Vertikalregistar; 51 - Linie, welche Elektroden der ersten Poly-Si-Ebene umschließt; 52 - Linie, welche Elektroden der zweiten Poly.-Si-Ebene umschließt} 53 - Linie, welche die quasi streifenförmig verlaufende Elektrode der dritten PoIy-Siebene umschließt; 54 - Transfergebiete, die von der Poly2-Elektrode gesteuert werden; 56 - Speichergebiet unter Polyl Elektrode; 57 - Speichergebiet unter Poly3-Elektrode; 58 Kante der Lackmaske, mit deren Hilfe die Übertragungsgebiete 50 implantiert wurden; 59 ·» Linie, welche die Kanal-Stopper-Gebiete 43 umschließt« Man sieht, daß die Poly2-Elektrode sich längs des gesamten Registers erstreckt und jede der einzelnen Polyl-Elektroden zu einem gewissen Teil überlappt.

In den Fig* 6a - c sind Querschnitte entlang der Linie CC* und in den Fig, 6e - g entlang der Linie DD* aus Fig. 5 dargestellt, wobei die einzelnen Figuren verschiedenen Phasen der technologischen Realisierung entsprechen. Das Vertikalregister der zweiten Variante verwendet einen CCD-Register-Typ, wie er in deryErfindungsanmeldung WP H 01 L/ 266477/0 beschrieben ist. In FIg, 6a und e ist der Zustand vor Beschichtung mit der zweiten Poly-Si-Ebene festgehalten. In das p.-leitende Si-Substrat 64, welches mit einem Isolierfilm 66, der ζ·Β· aus einer Kombination von SiO₂ und

Si₃N₄ bestehen kann, überzogen ist, wurde großflächig eine η-dotierte Zone 65 eingebracht» Ober eine Lackmaske wurde eine p-Dotierungszone 67 implantiert, wie sie für das Übertragungsgebiet zwischen den Sensoren und dem Vertikalregister benötigt wird· Nach Aufbringen und Strukturieren der ersten Poly-Si-Ebene entstehen die Elektroden 61· Mit diesen Elektroden 61 als Maske wird großflächig ein p-Dotand, z»B. Bor, implantiert, mit einer Dosis, wie sie zur Erzeugung von Potentialbarrieren in einem Zweiphasenregister benötigt wird» und es entstehen damit die dotierten Gebiete 68. In fig# 6a ist der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht berücksichtigt, daß die p-Zonen 67 durch die die Gebiete 68 erzeugende Implantation in ihrer Dotierung ebenfalls etwas modifiziert werden»

Nach Aufbringen und Strukturieren der zweiten Poly-Si-Ebene entstehen die Elektroden 62 (Fig· 6b und f), welche gegenüber den Polyl-Elektroden 61 nicht isoliert sein müssen· Mit den Elektroden 61 und 62 als Maske und einer zusätzlich aufgebrachten Lackmaske (diese letztere Lackmaske ist in den Fig, 6 nicht dargestellt) wird die in der HD-Erfindungsanmeldung WP H 01 L/266477/0 erläuterte sogenannte Kompensationsdotierung ausgeführt, in diesem Fall durch Implantation eines n-Dotanden, ζ·8_# Phosphor·

Schließlich werden die Elektroden 61 und 62 mit einem gemeinsamen Isolierfilm 69 überzogen·

In den Fig» 6c und g ist der technologische Realisierungszustand mit allen in Fig» 5 angegebenen Ebenen dargestellt« Die dritte Poly-Si-Elektrode wurde abgeschieden und strukturiert, es entstanden aus ihr die Elektroden 63 sowie die das Antibloomingdrain 20 eingrenzenden Transferelektroden 21* Mit den drei Elektrodenkonfigurationen als Maske werden die oben bei der Darlegung des Wesens der Erfindung erläuterten zwei hintereinander ausgeführten Implantation ausgeführt· Es werden tief ein n-Dotand, z.B* Phosphor, und flach ein p-Dotand', z#B· Bor, implantiert· Dabei entstehen die endgültigen Dotierungsprofile der Sensoren 10 und 11 sowie des Antibloomingdrains 20, wobei alle

diese zuletzt erwähnten Gebiete von flachen Kanal-Stopper-Schichten 70 überdeckt sind·

In den Fig, 6 d und h ist der Verlauf des Potentials im Halbleiter entlang der Schnitte CC und DO' eingezeichnet, Ee handelt sich, bis auf die Linien 82, 83 und 86, durchweg um den Extremwert des Potentials im völlig an Elektronen verarmten Ladungstransportkanal. Für den Low-Pegel der ersten Taktphase, welche an den Polyl- und Po-Iy2-Elektroden liegt, stellt sich der Verlauf 75 ein, für den High-Pegel der Verlauf 76» Die an die Elektrode 63 angekoppelte zweite Taktphase erzeugt im Low- und Highpegel die Verläufe 77 und 78# Die Kanal-Stopper-Gebiete 43 liegen auf Substratpotential 86, In den leeren Sensoren 10 und 11 erreicht das Potential den Wert 73, (Die sie bedeckende flache Kanal-Stopper-Schicht 70 wird selbstverständlich über die Kanal-Stopper-Gebiete 43 (siehe Layout in Fig, 5) auf Substratpotentialpotential gehalten). Mit 82 und 83 ist das Potential im Sensor bei verschiedenen Füllungszuständen mit Signalladungen bezeichnet. Der linksseitige Sensor 10 sei überbelichtet. Das Potential 72 unter der Transferelektrode 21 ist infolge einer an die Transferelektrode 21 angelegten entsprechenden Spannung etwas kleiner als das Potential 74 im "Restkanal" des Übertragungsbereiches 50* Die überschüssigen Ladungsträ-9©·" fließen, symbolisch durch den Pfeil 84 dargestellt, kontinuierlich ins Antibloomingdrain 20, dessen Verarmungspotential 71 dadurch aufrechterhalten wird, indem an den Stirnseiten (vorzugsweise der oberen) der Matrix über an die Drains 20 angekoppelten, in Sperrichtung gepolte η p-Diodengebiete die Ladungen aus den Drains 20 abgesaugt werden, Im rechtsseitigen Sensor 11 habe sich nach Ablauf der Integrationszeit eine Signalladung angesammelt, welche einen Verlauf 83 des Potentials hervorrufe. Durch Anlegen des Obernahmeimpulses an Elektrode 63 stellt sich im Obergangsbereich das Potential 80 ein, während im Speichergebiet 57 das Potential bis auf den Wert 81 absinkt. Die Signalladung des Sensors 11 kann nunmehr in Pfeilrichtung 85 ins Speichergebiet 57 fließen,

Die Besonderheiten des erfindungegemäßen Übertragungegebietes 50 werden noch einmal in Fig» 7 illustriert· Hier ist der Extremwert £L des Potentials im völlig an Elektronen verarmten Volumenkanal in Abhängigkeit von der an die Elektroden gelegten Spannung Uq dargestellt» Die Kurven 88 und 89 sind typisch für Transfer- und Speichergebiete· Die Kurve 87 gilt für das Übertragungsgebiet 50» Die Dosis des p-Dotanden ist so groß gewählt, daß erst ab einer Schwellspannung 79 die Dotierungszone 67 völlig an Löchern verarmt ist· Für Spannungen größer als der Wert 79 ändert sich das Potential im Volumenkanal proportional zur Elektrodenspannung und erreicht bei genügend großem U_G den Wert 80· Für U_Q kleiner als der Wert 79 fließen in die Zone 67 Löcher aus den Kanal-Stopper-Gebiete 43 (siehe Layout in Fig« 5), das Potential in der Zone 67 wird dadurch auf Substratwert gehalten· Im Volumen des Halbleitergebietes 50 bleibt ein "Restkanal" mit dem Potential 74 bestehen*

Fig· 8 zeigt einen Ausschnitt aus dem Layout der dritten Variante, es sind die wichtigsten Ebenen eingezeichnet· Diese Variante erlaubt ein kleinstmögliches Raster· In Fig· 8 ist eines mit 16 ,um (vertikal) mal 46 Aim (horizontal) gewählt, wobei jede Rasterzelle zwei Sensoren enthält. In Fig, 8 ist neben den Elementen des Bildteils auch ein Abschnitt des horizontalen Ausleseregisters sowie die "Leerzeile" und der Obergang zwischen Vertikalregister und Horizontalregister eingezeichnet»

Zusätzlich zu den bereits erklärten Bezugszahlen bedeuten} 90 - Linie, welche Elektroden der ersten Poly-Si-Ebene umschließt, die in der zweiten Strukturierung dieser Ebene entfernt werden; 91 - Transfergebiete mit überdeckter Kanal-Stopper-Schicht; 92 - Transfergebiete, die von der Po-Iy2-Elektrode gesteuert werden; 93 - Speichergebiet unter Polyl-Elektrode; 94 - Speichergebiet unter Poly2-Elektrode; 95 - Kontaktgebiet zwischen Poly2-Elektrode des Horizontalregisters und später aufzubringender Leitbahnebene; 96 -

Kontaktgebiet zwischen Polyl-Elektrode des Horizontalregisters und später aufzubringender Leitbahnebene; 97 Richtung des Ladungstransportes im Horizontalregister ; 98 - Poly2«Elektrodenkamm für die Vertikalregister; 99 Polyl-Elektrodenkamm für die Vertikalregister; 100 - Po-Iy2-Elektrode des Horizontalregisters; 101 - Polyl-Elektrode des Horizontalregisters; 102 - Linie, welche Kontaktfenster umschließt·

Man sieht in Fig. 8 deutlich den etwa S-förmigen Verlauf der Polyl-Elektrode längs der Vertikalregister (im rechten Teil der Fig· 8 durch Schraffur hervorgehoben). Die geometrischen Abmaße sind innerhalb des Vertikalregisters so gewählt worden, daß etwa gleich große Flächen für die Speichergebiete 93 und 94 entstehen» Die Transferelektroden 21 werden aus der Polyl-Ebene herausstrukturiert· Dadurch sind mit den nach der ersten Strukturierung der Polyl-Ebene entstandenen Polyl-Elektroden die Längen sämtlicher Speicher- und Tränsfergebiete sowie die Breiten aller Sensoren festgelegt, Die Poly2-Elektrode ist als Streifen längs der Vertikalregister gezogen. Sie überlappt dabei etwas die Sensoren 10 und 11· Die Poly2-Elektrode ist relativ dünn, störende Lichtabsorption macht sich eigentlich erst im blauen Spektralbereich bemerkbar, so daß der Überlappungsbereich bei blauem Licht weniger zur Gesamtempfindlichkeit beiträgt als im übrigen Spektrum· Der Oberlappungsbereich macht jedoch nur einen Teil der Sensorfläche aus, der größte Teil des Sensors ist ohne Elektrodenbedeckung· Man kann allerdings auch jegliche Überlappung im Sensor vermeiden· Dazu werden die von der Linie 90 umschlossenen Gebiete seitlich "eingerückt", die Poly 2-Elektrode verläuft dort, wo kein Polyl verbleibt, auf aer "alten" Linie 90, und dort, wo der Übergangsbereich von der Polyl-Elektrode gesteuert wird, "rückt" die Poly2-Elektrode entsprechend seitlich ein. Die Poly2-Elektrode hätte dann einen ähnlichen Verlauf wie die P.oly3-Elektrode aus Fig· 5. Die zweifache Implantation zur Realisierung der endgültigen Dotierungsprofile in den Sensoren 10 und 11 sowie im Antibloomingdrain 20 wurde dann erst nach Struk-

turierung der Poly2-Ebene erfolgen« Diese zuletzt skizzierte Möglichkeit der Vermeidung von Öberlappungsgebieten hätte nur zur Folge, daß* ebenso wie bei der zweiten Variante, die Distanzen zwischen den Kanten der beiden Registerelektroden und der Transferelektrode 21 auf Grund der dustier- und Präparationstoleranz beider Ebenen gegeneinander nicht mehr gleich sind* Man erhielte so längs einer Sensorspalte alternierend unterschiedlich breite Sensoren· Die optische Empfangsfläche ist jedoch durch das später aufgebrachte Lichtschutzgate, was zumeist aus der Al-Leitbahnebene herausstrukturiert wird, für jeden Sensor längs einer Sensorspalte gleichgroß·

Durch das Einfügen der "Leerzeile" zwischen Bildteil und Horizontalregister kann man die Elektroden der einzelnen Register zu einer Kammstruktur vereinigen, wodurch die Kontaktierung der beiden Elektrodenkonfigurationen enorm erleichtert wird·

Das Horizontalregister arbeitet mit einer hohen Taktfrequenz· Hier empfiehlt es sich, eine Kontaktierung längs des gesamten Horizontalregisters über die Kontaktgebiete 95 und 96 zu realisieren·

Fig» 9 zeigt einen Layout-Ausschnitt vom oberen Rand der Matrix mit Vertikalregistern der dritten Variante· Es ist gezeigt, wie Antibloomingdrain 20 und Transferelektroden 21 günstig kontaktiert werden können· Die Transferelektroden 21 werden direkt über die Al-Bahn 114 versorgt. Aus dem Antibloomingdrain 20 werden die Ladungsträger in ein in Sperrichtung gepoltes n⁺-Geblet 111 abgesaugt. Die Polyl-Elektrode 112 ist zwischen n*-Gebiet und Antibloomingdrain 20 gesetzt, um einen direkten Kontakt der n⁺-Dotierung mit der das Drain 20 überdeckender Kanal-Stopper-Schicht zu vermeiden.

Das n⁺-Gebiet 111 und die Elektrode 112 werden gemeinsam über die Al-Bahn an die positive Sperrspannung gelegt* Außerdem können die Elektrodenkämrae 98 und 99 ebenfalls

über die Al-Bahnen 116 und 115 ein weiteres Mal (zusätzlich zur in Fig» 8 gezeigten Kontaktierungsmöglichkeit am unteren Rand) an die Versorgungsspannungen angeschlossen werden*

Fig_# 10a zeigt einen Querschnitt längs der Linie AA* aus Fig* 8, Zusätzlich zu den bereits erklärten Bezugszahlen bedeuten; 121 - Polyl-Elektrode im Vertikalregister (gehört zum Elektrodenkamm 99); 122 - Poly2-Elektrode im Vertikalregister (gehört zum Elektrodenkamm 98j) 120 Isolierfilm zwischen Polyl und Poly2»

In Fig« 10b ist der Verlauf des Potentials im Halbleiter längs des Schnittes AA" eingezeichnet· Es handelt sich, bis auf die Linien 82, 83 und 86« durchweg um den Extremwert des Potentials im völlig an Elektronen verarmten Ladungstransportkanal· Im Speichergebiet 93 unter der Polyl-Elektrode 121, die zum Ladungstransport auf einem Gleichspannungspegel gehalten wird, erreicht das Potential den Wert 123· Wird der Obernahmeimpuls an die Elektrode 121 gelegt, so erniedrigt sich dieses Potential auf den Wert 124, die Signalladung aus dem Sensor 10 kann über das Übergangsgebiet 50, in dem sich das Potential durch den (hohen) Übernahmeimpuls auf den Wert 80 verringert hat, in das Speichergebiet 93 fließen. Soll die Belichtungszeit verkürzt werden, so wird an die Transferelektroden 21 eine Spannung gelegt, die in ihrer Höhe etwa dem bereits erwähnten Übernahmeimpuls entspricht· Das Potential im Bereich unter den Transferelektroden 20 verkleinert sich dann auf den Wert 125· Es sei für dieses Beispiel vorausgesetzt, daß in die An tiblooraingdrains zusätzlich n-Dotanden, z.B, Phosphor, implantiert werden, so daß der entsprechende Potentialwert 71 tiefer liege als der Wert 73» Dadurch fließen sämtliche in den Sensoren 10 und 11 generierten Elektronen kontinuierlich in die Antibloomingdrains 20.

Erst nach Rücknahme der Spannung an den Transferelektro-

den 21 auf ihren zum Normalbetrieb benötigten Wert kann eine Sammlung der generierten Elektronen in den Sensoren erfolgen« Für die übrigen Details des Potentialschemas von Fig, 10b gilt das bereits bei den Fig. 6d und h gesagte·

In den Fig. lla - c sind Querschnitte entlang der Linie BB* aus Fig. 8 dargestellt, wobei die einzelnen Figuren verschiedenen Phasen der technologischen Realisierung entsprechen. Es sei darauf hingewiesen, daß der Aufbau des Horizontalregisters, längs dessen der Schnitt BB' führt, erfindungsgemäß identisch mit dem des Vertikalregisters sein kann, was die technologische Herstellung vereinfacht« Die Register der dritten Variante verwenden einen BCCD-Register-Typ, wie er in derVErfindungsanmeldung WP H 01 L/266476/2 beschrieben ist.

Es erfolgen zunächst die gleichen technologischen Schritte wie bei der zweiten Variante, D,h», es werden in das Substrat 64 eine η-dotierte Zone 65 eingebracht, über eine Lackmaske die p-Dotierungszone 67 implantiert (Zone 67 ist in Fig. 10a enthalten), ein Isolierfilm 66 hergestellt, die erste Poly-Si-Ebene aufgebracht und strukturiert, und schließlich mit den entstandenen Elektroden 121 und 132 als Maske ein p-Dotand, z,B, Bor, implantiert, wobei die potentialbarrierenerzeugenden Gebiete 68 entstehen (Fig, lla)» Mit 132 sind diejenigen Polyl-Elektroden bezeichnet, die. in einem späteren Schritt wieder entfernt werden»

Als nächstes wird eine Lackmaske 133 erzeugt, welche die zukünftigen Transfergebiete 92 abdeckt (Fig, lib), Nunmehr erfolgen hintereinander zwei Implantationen, Es wird tief ein n-Dotand, ζ·Β, Phosphor, und flach ein p-Ootand, z.8. Bor, implantiert, °Q£j-s und Energie werden dabei so bemessen, daß, wie in derxtrfindungsanmeldung WP H 01 L/266476/2 erläutert, die von diesen Implantationen erfaßten Gebiete 91 als Transfergebiete mit festgelegtem Potentialverlauf dienen können. D,h·, der Extremwert des Potentials erreicht in den Gebieten 91 bei völliger Verarmung an Elektronen einen solchen Wert, wie er für das zu realisierende

BCCD-Regleter benötigt wird.

Oie durch den flach implantierten p-Ootanden erzeugte Kanal-Stopper-Schicht 70 legt den Potentialverlauf in den Transfergebieten 91 fest und schirmt diese Gebiete gleichzeitig gegen äußere elektrische Felder ab·

Diese für die Transfergebiete 91 benötigten zwei Implantationen können mit den zur Erzeugung der Sensoren (und des Antibloomingdrains) benötigten gekoppelt werden, sie können aber auch unabhängig davon ausgeführt werden» Dies ist eine Frage der für die Matrix festgelegten Taktspannungspegel und des geforderten Ladungsfassungsvermögens der Sensoren· Bei der gemeinsamen Erzeugung der Sensoren und der Transfergebiete 91 ist zu beachten, daß das Dotierungsprofil der Sensoren (und der Antibloomingdrains) noch durch die Dotierungszone 67 modifiziert wird.

In den folgenden Schritten werden die Elektroden 132 entfernt, die verbliebenen Polyl-Elektroden, falls nicht bereits in einem vorherigen Schritt erfolgt, mit einem Isolierfilm 120 überzogen (Isolierfilm 120 ist bereits in Pig* Ha eingezeichnet, da er schon zu diesem Zeitpunkt hergestellt sein könnte) und die zweite Poly-Si-Ebene abgeschieden und strukturiert, es entstehen die Poly2-Elektroden 122 (Fig_# lic). Darauf erfolgen die üblichen Schritte wie Source-Drain-Diffusion, Abscheiden zusätzlicher Isolierschichten, Kontaktfensteröffnungen und Herstellen einer Leitbahnebene·

Zum Betrieb des Schieberegisters wird an die Poly2-Elektroden 122 eine Taktimpulsfolge und an die Polyl-Elektroden 121 eine Gleichspannung gelegt* Diese Gleichspannung sollte etwa dem arithmetischen Mittelwert von High- und Lowpegel der Taktimpulsfolge entsprechen· Um die Sensoren halbbildweise in die Vertikalregister auszulesen, wird an jeweils einen der Elektrodenkämme 98 oder 99 ein entsprechend großer Übernahmeimpule gelegt· In Fig, lld 1st der Verlauf des Potentials im völlig an Elektronen verarmten BCCD-Register der dritten Variante dargestellt für einen Betrieb, den man als Normalfall be-

. 30-

zeichnen könnte» In den Speichergebieten 93 ist durch eine entsprechende Gleichspannung an den Elektroden 121 der Potentialwert 123 realisiert! in den Transfergebieten 91 mit überdeckter Kanal-Stopper-Schlcht 70 stellt sich der Wert 134 ein. Low- und Highpegel der Taktimpulsfolge an der Elektrode 122 werden so gewählt, daß sich die Potentialverläufe 135 und 136 ergeben«

In Fig, lie sind Potentialverläufe dargestellt, wie man sie erhält, wenn man für den Lowpegel der Taktimpulsfolge negative Spannungswerte wählt« Die an den Elektroden 121 benötigte Gleichspannung wird dann kleiner und kann, bei entsprechend geringem Hub der Taktimpulse, den Substratspannungswert erreichen. Eine kleine Gleichspannung und folglich auch ein relativ kleiner Highpegel der Taktimpulsfolge sind vorteilhaft für die Dimensionierung des Obertragungsgebietes 50· Bei solcher Wahl der Spannungswerte dürfen jedoch die Flanken der Taktimpulse nicht zu steil sein. Anstiegszeiten von größer bzw» gleich 15 ns, wie sie in der Praxis üblich sind, sind bereits ausreichend. Die Besonderheit der Potentialverläufe in Fig* He ist das Verhalten der Transfergebiete 92» Für den Highpegel ergibt sich ein "normaler" Potentialverlauf 139 und 140 in dieser BCCD-Grundzelle· Beim Übergang zum Lowpegel ändert sich das Potential im Speichergebiet 94 wie gewohnt auf den Wert 137· Im Transfergebiet 92 jedoch erreicht das Potential an der Grenzfläche zwischen Dotierungszone 68 und Isolierfilm 66 bereits bei einem während der Taktflanke durchlaufendem Spannungswert den Substratwert, Beim weiteren Abfallen des Taktimpulses fließen Löcher aus den lateralen Kanal-Stopper-Gebieten in die Zone 68 und halten die Grenzfläche damit auf Substratpotential* Das Potential im Transfergebiet kann nicht weiter steigen und bleibt auf dem Wert 138 stehen· Durch die "schräge" Taktflanke wird jedoch die im Speichergebiet 94 vorhandene Signalladung über das Transfergebiet 91 mit seinem festgelegten Potential 134 in das folgende Speichergebiet 93 "nacheinander" geschoben. Die sich bei Erreichen des Lowpegels einstellende kleine Restbarriere zwischen den Po-

* 34*

tentialen 137 und 138 reicht für solch einen "Schiebebetrieb" aus.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

10 Sensorspalten

11 Sensorspalten

12 Antiblooraingeinrichtung

13 Vertikalregister

14 Ausleseregister

15 Ladungsdetektor

16 Kanal-Stopper-Gebiete

20 Antibloomingdrain

21 Transferelektroden

22 geradzahlige Zeilen

23 ungeradzahlige Zeilen

24 Ausleserichtung

25 Ausleserichtung

26 Sensorelemente

30 Elektrode der ersten Taktphase

31 CCD-Grundzellen

32 Richtung des Ladungstransports

40 Elektroden der ersten Taktphase

41 Elektroden der zweiten Taktphase

42 Richtung des Ladungstransports

43 Kanal-Stopper-Gebiete

50 Öbertragungsgebiet zwischen Sensoren und Vertikal· register

51 Kennzeichnungslinie

52 Kennzeichnungslinie

53 Kennzeichnungslinie

54 Transfergebiete* die von der Poly2-Elektrode gesteuert werden

55 Transfergebiete, die von der Poly3-Elektrode gesteuert werden

56 Speichergebiet unter Polyl-Elektrode

. 33

57	Speichergebiet unter Poiy-s-tie
58	Kante der Lackmaske
59	Kennzeichnungslinie
61	Elektroden
62	Elektroden
63	Elektroden
64	p-leitendes Si-Substrat
65	η-dotierte Zone
66	Isolierfilm
67	p-Dotierungszone
68	dotierte Gebiete
69	Isolierfilm
70	Kanal-Stopper-Schichten
71	Potentialwert
72	Potentialverlauf
73	Potentialverlauf
74	Potentialverlauf
75	Potentialverlauf
76	Potentialverlauf
77	Potentialverlauf
78	Potentialverlauf
79	Schwellspannung
80	Potentialverlauf
81	Potentialwert
82	Potentialverlauf
83	Potentialverlauf
84	Richtung des Ladungstransports
85	Richtung des Ladungstransports
86	Substratpotential
87	Kurvenverlauf
88	Kurvenverlauf
89	Kurvenverlauf
90	Kennzeichnungslinie
91	Transfergebiet
92	Transfergebiet
93	Speichergebiet
94	Speichergebiet

95 Kontaktgebiet

96 Kontaktgebiet

97 Richtung des Ladungstransports

98 Poly2-Elektrodenkamm

99 Polyl-Elektrodenkamm

100 Poly2-Elektrode

101 Polyl-Elektrode

102 Kennzeichnungslinie

110 Kennzeichnungslinie

111 n⁺-Gebiet

112 Elektrode

113 Al-Bahn

114 Al-Bahn

115 Al-Bahn

116 Al-Bahn

120 Isolierfilm

121 Polyl-Elektrode

122 Poly2-Elektrode

123 Potentialwert

124 Potentialwert

125 Potentialwert

132 Polyl-Elektrode

133 Lackmaske

134 Potentialwert

135 Potentialverlauf

136 Potentialverlauf

137 Potentialwert

138 Potentialwert

139 Potentialverlauf

140 Potentialverlauf

- Leefseite -

Claims (6)

1. 354385a

   Patentansprüche

   1, CCQ-Matrix mit Spaltentransfer und punktweisem Anti-Blooming, gekennzeichnet dadurch, dab im photosensitiven Teil der Matrix jedem Vertikalregister, welches als 2-Phasen-Register mit entsprechenden Speicherund Transfergebieten ausgeführt ist, zwei Sensorspalten, welche links und rechts vom Vertikalregister positioniert sind, zugeordnet sind, wobei die Sensoren längs der Spalten nur durch schmale Kanal-Stopper-Gebiete oder Potentialbarrieren voneinander getrennt sind, und daß zwischen zwei Sensorspalten, die benachbarten Vertikälregistern zugeordnet sind, eine Antibloomingeinrichtung angeordnet ist, und daß in vertikaler Richtung kein durchgehendes Kanal-Stopper-Gebiet vorhanden ist, und daß in jeder Zeile ausdrücklich zwei Sensoren pro Vertikalregister vorhanden sind, links und rechts vom Vertikalregister gelegen, und daß jedem Speichergebiet im Vertikalregister ein (und nur ein) bestimmter Sensor zugeordnet ist, wobei Sensor und Speichergebiet durch ein Übertragungsgebiet getrennt sind, welches vorzugsweise von der das entsprechende Speichergebiet kontrollierenden Elektrode überdeckt ist, und daß sämtliche den Sensoren aller geradzahligen Zeilen zugeordneten Speichergebiete von Elektroden der einen Ebene bedeckt sind, welche an die eine Taktphase angeschlossen sind, sowie sämtliche den Sensoren aller ungeradzahligen Zeilen zugeordneten Speichergebiete von Elektroden der anderen Ebene bedeckt sind,

   • <*· 354385g

   welche an die andere Taktphase angeschlossen sind, und daß entweder im Vertikalregister, welches den in der Erfindungsanmeldung WP H Ol L/266476/2 beschriebenen CCD-Registertyp verwendet, die Elektrode der ersten Ebene längs des Registers zusammenhängend und etwa S-förmig geführt ist und dabei die den Sensoren aller beispielsweise geradzahligen Zeilen zugeordneten (Register-)Speichergebiete bedeckt, während die Elektrode der zweiten Ebene, welche die den Sensoren aller beispielsweise ungeradzahligen Zeilen zugeordneten (Register-) Speichergebiete (und die Transfergebiete) bedeckt, quasi streifenförmig längs des Registers verläuft, dabei ganz oder zumindest teilweise die Elektrode der ersten Ebene bedeckend, wobei zur Lenkung des Ladungsflusses im Vertikalregister kurze Kanal-Stopper-Gebiete eingebaut sind, .pder im Vertikalregister, welches vorzugsweise den in derVErfindungsanmeldung VVP H Ol L/266477/0 beschriebenen CCD-Registertyp verwendet, sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung ständig Speichergebiete, welche von Elektroden der ersten und zweiten Taktphase kontrolliert werden, einander abwechseln, indem sämtliche Transfergebiete, die zur Grundzelle der ersten Taktphase gehören und damit von der Elektrode der zweiten Elektrodenebene kontrolliert werden, in der Mitte des Registers angeordnet sind, und daß die Elektrode der zweiten Elektrodenebene in der Mitte des Vertikalregisters durchgezogen ist und über alternierend nach links und rechts reichende kurze "Seitenäste" die einzelnen Elektroden der ersten Ebene teilweise überlappt und diese dabei kontaktiert, während die Elektrode der dritten Ebene quasi streifenförmig längs des Vertikalregisters, die Elektroden der ersten und zweiten Ebene teilweise bedeckend, verläuft, wobei jedes der Speichergebiete schräg geführt ist, vorzugsweise unter einem Winkel von 45° zur Vertikalen und daß die Ladungstransportrichtung, festgelegt durch geeignete kurze Kanal-Stopper-Gebiete, von CCD-Grundzelle zu CCD-Grundzelle abwechselnd vertikal in einer Hälfte des Registers nach unten, von einer Hälfte des Registers schräg nach oben zur anderen Hälfte, in der anderen Hälfte vertikal nach unten, von

   • 3- 3543956

   der anderen Hälfte schräg nach unten zur ersten Hälfte, in dieser Hälfte vertikal nach unten usw. ist, oder im Vertikalregister schräg, vorzugsweise unter einem Winkel von 45° zur Vertikalen, geführte Speichergebiete derart zu den Sensoren positioniert sind, daß in der Berührungslinie von Vertikalregister zur Sensorspalte die Grenze zwischen zwei CCD-Stufen des Registers etwa mit der vertikalen Abgrenzung zweier Sensoren zusammenfällt, wobei jedes Speichergebiet auf einer Seite durch das erwähnte Übertragungsgebiet vom Sensor getrennt und auf der anderen Seite durch ein Kanal-Stopper-Gebiet begrenzt ist, und wobei die Elektrode der ersten Taktphase zusammenhängend geführt ist, indem sie immer an der für die Ladungsübertragung gesperrten Stirnseite der von der zweiten Taktphase gesteuerten CCD-Grundzelle durchgezogen ist, so daß sie in Längsrichtung des Vertikalregisters die nächste CCD-Grundzelle der ersten Taktphase erreicht, und daß die Elektrode der zweiten Taktphase über die Elektrode der ersten Taktphase hinweg geführt ist und quasi streifenförmig fast das gesamte Vertikalregister bedeckt ·
2. 2. CCD-Matrix mit Spaltentransfer und punktweisem An.ti-Blooming nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen zwei Sensorspalten positionierte Anti-Bloomingeinrichtung aus einem Antibloomingdrain und zwei Transferelektroden, welche dieses Drain eingrenzen, besteht, wobei die beiden Transferelektroden aus einer der für die Vertikalregister verwendeten Ebene, vorwiegend aus der ersten Ebene, strukturiert sind, und daß das Antibloomingdrain vorzugsweise ein Volumenkanal mit überdeckter flacher Kanal-Stopper-Schicht ist ·
3. 3» CCD-Matrix mit Spaltentransfer und punktweisem Anti-Blooming nach Anspruch 2, dadurch.gekennzeichnet, daß das Übertragungsgebiet ein schmaler, unter den Registerelektroden positionierter Halbleiterbereich ist, in dem zusätzlich zu bereits vorhandenen Dotierungen

   eine Dotierungszone vom Substratleitungstyp eingebracht ist, wobei die Dotierungsdosis dieser Zone so groß gewählt ist, daß sie bei den am Vertikalregister zur Anwendung kommenden Transporttaktimpulsen ihren Leitungstyp beibehält, und daß beim zum Auslesen der Sensoren an die entsprechenden Registerelektroden gelegten (grossen) Spannung diese Dotierungszone völlig an Majoritätsladungsträgern verarmt und die Potentialschwelle zwischen Sensor und (Register-) CCD-Grundzelle abgebaut wird.
4. 4. CCD-Matrix mit Spaltentransfer und punktweisem Anti-Blooming nach Anspruch 3_t dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoren vorzugsweise elektrodenlose photosensitive Elemente verwendet sind, welche durch eine relativ £5 tief eingebrachte Dotierungszone vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp und eine diese Zone überdeckende flache Kanal-Stopper-Schicht gekennzeichnet sind, wobei die generierte Ladung im Sensor während der Integrationsphase gespeichert wird»
5. 5. CCD-Matrix mit Spaltentransfer und punktweisem Anti-Blooming nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Rand der Matrix, zwischen dem photosensitiven Teil und dem horizontalen Ausleseregister, wenigstens eine "Leerzeile" eingefügt ist, wobei im Bereich dieser "Leerzeile" die für die Vertikalregister benötigten Elektroden zu sogenannten Kammstrukturen zusammengefaßt sind.
6. 6. CCD-Matrix mit Spaltentransfer und punktweisem Anti-Blooming nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspalten mit Farbfiltern überdeckt sind, wobei alternierend die Farben grün und blau sowie grün und rot bzw. weiß und cyan sowie weiß und gelb verwendet sind,

   S
   Hierzu ^6 Seiten Zeichnungen