DE3938302A1

DE3938302A1 - Festkoerper-bildsensor

Info

Publication number: DE3938302A1
Application number: DE3938302A
Authority: DE
Inventors: Hidenori Shibata; Ikuko Inoue; Nozomu Harada
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-11-18
Filing date: 1989-11-17
Publication date: 1990-05-23
Also published as: KR900008677A; KR0127300B1; DE3938302C2; US5063449A

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildsensor, insbesondere einen solchen mit Einrichtung zum Inji zieren von Vorspannungsladungen.

Ein zweilagiger Festkörper-Bildsensor, bei dem ein photoleitender Film auf einem Festkörper-Bildsensor element abgelagert ist, oder ein einen Schichtaufbau besitzender Festkörper-Bildsensor kann eine weite Öffnungsfläche seines lichtempfindlichen Teils aufwei sen, und er besitzt gute Eigenschaften bezüglich einer hohen Empfindlichkeit und geringer Fahnen (smear). Aufgrund dieser Merkmale wird ein solcher Festkörper- Bildsensor als für Kameras für verschiedene Monitor- Fernsehgerät oder hochauflösende Fernsehgeräte gün stig angesehen. Derzeit wird als Photoleiterfilm bei einem solchen Schichtaufbau-Festkörper-Bildsensor ein amorpher Film, z.B. ein Se-As-Te-Film, ein ZnSe-ZnCdTe-Film oder ein a-Si:H-Film (amorpher Silizium-Hydrid-Film), verwendet. Von diesen Materialien wird zunehmend ein a-Si:H-Film im Hinblick auf seine guten Eigenschaf ten und seine Formgebbarkeit sowie seine Eigenschaft, bei niedrigen Temperatur geformt werden zu können, be vorzugt.

Bei einem herkömmlichen Festkörper-Bildsensor, wie er z.B. in IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICE, Vol. ED-32, Nr. 8, August 1985, beschrieben ist, wird das von einer transparenten Elektrode (her) einfallende Licht durch einen Photoleiterfilm photoelektrisch um gesetzt, wobei Elektronen-Loch-Paare erzeugt werden. Da das Potential einer elektrisch an eine Speicherdiode angekoppelten Pixelelektrode höher ist als das Poten tial der transparenten Elektrode, verlagern sich Elek tronen zur Pixelelektrode und Löcher bzw. Elektronen mangelstellen zur transparenten Elektrode. Die Elek tronenmangelstellen fließen über die transparente Elek trode zu einer externen Schaltung ab, während die Elek tronen in der an die Pixelelektrode angeschlossenen Speicherdiode aufgespeichert werden und damit das Po tential dieser Diode herabsetzen. Während einer gege benen Zeitspanne aufgespeicherte Signalladungen (Elek tronen) werden auf einem lotrechten bzw. vertikalen CCD-Kanal aus der Speicherdiode ausgelesen, wenn ein Signalladungs-Ausleseimpulse an ein Signalladungs-Aus lesegatter (gate) angelegt wird. Diese, auf den verti kalen CCD-Kanal übertragenen Ladungen werden über einen waagerechten bzw. horizontalen CCD-Kanal ausgegeben.

Der beschriebene bisherige Festkörper-Bildsensor ist mit den im folgenden angegebenen Mängeln behaftet. Da die Speicherelektrode elektrisch an einen mit freien Elektroden gefüllten Pixelelektrodendraht angeschlossen ist, wird die Speicherdiode nicht vollständig verarmt bzw. entleert (depleted), und die Übertragung von Si gnalladungen erfolgt daher unvollständig, wodurch kapa zitive Verzögerung (Nachziehen) herbeigeführt werden kann. Da außerdem die im Photoleiterfilm photoelek trisch umgesetzten Ladungen durch das im Film vorhan dene Anlagerungsniveau eingefangen (trapped) und (erst) nach einer gewissen Zeitspanne entladen werden, wird die Restbildcharakteristik des Festkörper-Bildsensors beeinträchtigt.

Das Restbild kann durch Injizieren von Vorspannungsla dungen in die Speicherdiode verringert werden; bei z.B. einer eine Bildaufnahmeröhre verwendenden Fernsehkamera erfolgt die Injektion von Vorspannungsladungen (bias charges) mittels des Lichts von einer Lichtquelle. Bei dieser Methode ist es jedoch ziemlich schwierig, Licht gleichmäßig auf den Chip aufzustrahlen, so daß das Restbild nicht sicher verringert (oder unterdrückt) werden kann. Zudem wird durch die Notwendigkeit für eine getrennte Lichtquelle der Aufbau des Festkörper- Bildsensors kompliziert.

Beim bisherigen Festkörper-Bildsensor erfolgt mithin - wie erwähnt - die Übertragung der Signalladungen von der Speicherdiode unvollständig, und es tritt eine ka pazitive Verzögerung (capacitive lag) auf. Die herkömm liche Methode zur Restbildminderung durch Injektion von Vorspannungsladungen mittels des Lichts von einer Licht quelle gewährleistet keine gleichmäßige Injektion der Vorspannungsladungen und kompliziert den Aufbau des Bildsensors.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Festkörper-Bildsensors, bei dem Vorspannungsladungen ohne die Notwendigkeit für eine Lichtquelle gleichmä ßig in eine Signalladungs-Speicherdiode injizierbar sind und damit eine Restbildcharakteristik verbessert wird.

Das Hauptmerkmal der Erfindung liegt darin, daß ein Gatter (gate) und eine Diode zum elektrischen Injizie ren der Vorspannungsladungen in die Speicherdiode ver wendet werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Festkörper-Bildsensor, umfassend einen Festkörper-Bildsensorelementchip mit einer Signalladungs-Speicherdiode, einem Signalladungs- Ausleseteil und einem auf einem Halbleitersubstrat ge formten Signalladungs-Übertragungsteil, einen auf dem Chip abgelagerten Photoleiterfilm und eine auf letzte rem erzeugte durchsichtige bzw. transparente Elektrode, wobei neben dem Signalladungs-Übertragungsteil ein Vor spannungsladungs-Injiziergatter und eine Vorspannungsla dungs-Injizierdiode vorgesehen sind, um Vorspannungsla dungen über den Signalladungs-Ausleseteil in die Si gnalladungs-Speicherdiode zu injizieren.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Festkörper-Bild sensor, umfassend einen Festkörper-Bildsensorelement chip mit einer Signalladungs-Speicherdiode, einem Si gnalladungs-Ausleseteil und einem auf einem Halbleiter substrat geformten Signalladungs-Übertragungsteil, einen auf dem Chip abgelagerten Photoleiterfilm und eine auf letzterem erzeugte transparente Elektrode, wobei neben der Signalladungs-Speicherdiode ein Vorspan nungsladung-Injiziergatter und eine Vorspannungsla dungs-Injizierdiode vorgesehen sind, um Vorspannungsla dungen in die Signalladungs-Speicherdiode zu injizie ren, und neben dem Signalladungs-Übertragungsteil ein Vorspannungsladungs-Ableitgatter und eine Vorspannungsla dungs-Ableitdiode zum Entladen bzw. Ableiten der über den Signalladungs-Ausleseteil in die Signalladungs- Speicherdiode injizierten Vorspannungsladungen vorge sehen sind.

Erfindungsgemäß sind ein Gatter und eine Diode zum elektrischen Injizieren von Vorspannungsladungen in eine Signalladungs-Speicherdiode vorgesehen, um die Injektion von Vorspannungsladungen in die Speicher diode ohne die Verwendung einer Lichtquelle sicherzu stellen. Auf diese Weise können Vorspannungsladungen gleichmäßig injiziert und damit ein kapazitives Rest bild zufriedenstellend unterdrückt werden. Da zudem ein Dunkelstrom nicht von Vorspannungsladungen abhängt, wenn die einmal injizierten Vorspannungsladungen über das Signalladungs-Auslesegatter abgeleitet werden, kann eine Änderung der Vorspannungsladungen vernachlässigt werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 eine beispielhafte Aufsicht zur Darstellung des Grundaufbaus eines Festkörper-Bildsen sors,

Fig. 2A eine Aufsicht auf den Festkörper-Bildsensor gemäß Fig. 1,

Fig. 2B einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2A,

Fig. 2C einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 2A,

Fig. 3 eine graphische Signalwellenformdarstellung von Treiber- oder Ansteuerimpulsen zu einer Übertragungselektrode,

Fig. 4A bis 4L einen schematischen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2A bzw. graphische Darstellungen von Änderungen in einem Po tentialzustand,

Fig. 5 eine graphische Signalwellenformdarstellung von Treiber- bzw. Ansteuerimpulsen zu einer Übertragungselektrode, einem Vorspannungsla dungs- Injiziergatter und einer -Injizierdio de,

Fig. 6A bis 6E einen schematischen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2A bzw. graphische Darstellungen von Änderungen im Potential zustand des Bildsensors,

Fig. 7 ein Kennliniendiagramm der Beziehung zwi schen Vorspannungsladungen und Größen (values) eines Restbilds für ein Teil- oder Halbbild (field),

Fig. 8 eine graphische Signalwellenformdarstellung von Treiber- oder Ansteuerimpulsen zu einer Übertragungselektrode, einem Vorspannungsla dungs-Injiziergatter und einer -Injizierdio de,

Fig. 9A bis 9E einen schematischen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2A bzw. graphische Darstellungen von Änderungen im Potential zustand des Bildsensors,

Fig. 10 ein Kennliniendiagramm der Beziehung zwi schen Vorspannungsladungen und Größen eines Restbilds und eines Dunkelstroms für ein Teilbild (field),

Fig. 11 eine Aufsicht auf einen Festkörper-Bild sensor gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12A eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Auf sicht auf einen Teil des Festkörper-Bild sensors nach Fig. 11,

Fig. 12B einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 12A,

Fig. 12C einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 12A,

Fig. 13 eine graphische Signalwellenformdarstellung von Treiber- oder Ansteuerimpulsen zu einer Übertragungselektrode, einem Vorspannungsla dungs-Injiziergatter und einer -Injizierdio de beim Festkörper-Bildsensor nach Fig. 11,

Fig. 14A bis 19C schematische Darstellungen der Struktur bzw. des Aufbaus eines Halbleiter elements in verschiedenen Stufen der Her stellung des Festkörper-Bildsensors nach den Fig. 12A bis 12C,

Fig. 20 ein Zeitsteuerdiagramm von Treiber- oder An steuerimpulsen zum Ansteuern des Festkörper- Bildsensors nach Fig. 1 nach einer anderen Ansteuermethode, bei der das Potential einer transparenten Elektrode geändert wird,

Fig. 21A bis 21I einen Querschnitt durch einen ent sprechend dem Zeitsteuerdiagramm nach Fig. 20 angesteuerten Festkörper-Bildsensor bzw. graphische Darstellungen von Änderungen im Potentialzustand des Bildsensors,

Fig. 22 eine beispielhafte Aufsicht zur Darstellung des Grundaufbaus eines Festkörper-Bildsen sors gemäß einer anderen Ausführungsform,

Fig. 23A eine Aufsicht auf den Festkörper-Bildsensor nach Fig. 22,

Fig. 23B einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 23A,

Fig. 23C einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 23A,

Fig. 24 eine graphische Signalwellenformdarstellung von Treiber- oder Ansteuerimpulsen zu einer Übertragungselektrode, einem Vorspannungsla dungs- Injiziergatter, einem -Ableitgatter und einer Diode sowie,

Fig. 25A bis 25E einen schematischen Querschnitt längs der Linie B-B in Fig. 23 bzw. graphi sche Darstellungen von Änderungen im Poten tialzustand des Bildsensors.

Bei einem einen Schichtaufbau (stacked) besitzenden Festkörper-Bildsensor gemäß Fig. 1 sind zahlreiche Si gnalladungs-Speicherdioden 10 in einer Matrix auf einem Si-Substrat angeordnet, während Übertragungselektroden eines vertikalen Ladungsverschiebe- oder CCD-Elements in (lotrechten) Spalten und neben den Speicherdioden 10 vorgesehen sind. Diese Übertragungselektroden werden mit Treiber- oder Ansteuerimpulsen Φ _{V 1}, Φ _{V 2}, Φ _{V 3} und Φ _{V 4} beaufschlagt; das vertikale CCD-Element (vertikal CCD) ist von einem Vierphasen-Ansteuertyp. Die Elektro den 20, an welche die Ansteuerimpulse Φ _{V 1} und Φ _{V 3} ange legt sind, dienen auch als Signalladungs-Auslesegatter 30.

Der dargestellte Festkörper-Bildsensor weist Ladungs- Injiziergatter 40 und Ladungs-Injizierdioden 50 auf. Diese Gatter 40 und Dioden 50 sind auf der von den Speicherdioden 10 des vertikalen CCD-Elements abgewand ten Seite angeordnet. An die Gatter 40 werden Ansteuer impulse Φ _{B 1} und Φ _{B 2} angelegt, während Ansteuerimpulse Φ _{D 1} und Φ _{D 2} an die Dioden 50 angelegt werden. Aufgrund dieser Anordnung können Vorspannungsladungen von den Dioden 50 her über die Gatter 40 und Auslesegatter 30 in die Speicherdioden 10 injiziert werden.

Wie aus der Aufsicht von Fig. 2A hervorgeht, bilden von den Übertragungselektroden 20 die mit den Ansteuerim pulsen Φ _{V 1} und Φ _{V 3} beaufschlagten Elektroden 21, 23 eine erste Polysiliziumschicht, während die mit den An steuerimpulsen Φ _{V 2} und Φ _{V 4} beaufschlagten Elektroden 22, 24 eine zweite Polysiliziumschicht bilden. Die Gat ter 40 stellen eine dritte Polysiliziumschicht dar. Mehrere vertikale CCD-Kanäle 60 sind in lotrechter An ordnung vorgesehen. Eine Elektrode 51 ist mit den Vor spannungsladungs-Injizierdioden 50 gekoppelt. Die Spei cherdioden 10 weisen jeweils eine neben der Übertra gungselektrode 21 befindliche Diode 11 und eine neben der Übertragungselektrode 23 befindliche Diode 12 auf. Auf ähnliche Weise umfassen jedes Auslesegatter 30, je des Vorspannungsladungs-Injiziergatter 40, jede Vor spannungsladungs-Injizierdiode 50 und jede Vorspan nungsladungs-Injizierelektrode 70 jeweils ein Signal ladungs-Auslesegatter 31, ein Vorspannungsladungs-In jiziergatter 41, eine Vorspannungsladungs-Injizierdiode 51 und eine Vorspannungsladungs-Injizierelektrode 71 in bezug zur Speicherdiode 11 sowie jeweils ein Signalla dungs-Auslesegatter 32, ein Vorspannungsladungs -Inji ziergatter 42, eine -Injizierdiode 52 und eine -Inji zierelektrode 72 in bezug auf die (bzw. für die) Spei cherdiode 12.

Gemäß den Fig. 2B und 2C ist der Signalladungstyp-CCD-Kanal bereich 60 auf einem p-Typ-Substrat 81 ausgebil det. Die Übertragungselektroden 21 bis 24 sind aufein anderfolgend auf dem Kanalbereich 60 längs dieses Be reichs erzeugt. Der Diodenbereich 11 ist neben dem Ka nalbereich 60 ausgebildet, wobei ein Pixelelektroden draht 82 mit diesem Diodenbereich 11 gekoppelt ist. Der Vorspannungsladungs-Injizierdiodenbereich 51 ist an der einen Seite des Kanalbereichs 60, dem Diodenbereich 11 gegenüberliegend, ausgebildet. Die Vorspannungsladungs- Injizierelektrode 71 ist mit diesem Diodenbereich 51 gekoppelt. Die Vorspannungsladungs-Injiziergatterelek troden 41 und 42 sind unter Isolierung auf dem Substrat 81 zwischen dem Diodenbereich 51 und dem Kanalbereich 60 erzeugt. Die Gatter- oder Gateelektrode 41 erstreckt sich über den Bereich zwischen den Übertragungselektro den 21 und 24, und die Gatter- oder Gateelektrode 42 verläuft über dem Bereich zwischen den Übertragungs elektroden 22 und 23. Die Vorspannungsladungs-Injizier elektroden 71 und 72 verlaufen unter Zwischenfügung von Isolierschichten über den Übertragungselektroden. Der Pixelelektrodendraht 82 ist an eine Pixelelektrode 83 angeschlossen.

Auf der gesamten Oberseite des vorstehend beschriebenen Halbleitergebildes ist ein photoleitender Film bzw. Photoleiterfilm 84 erzeugt, auf dessen gesamter Ober fläche eine transparente Elektrode 85 ausgebildet ist.

Die Arbeitsweise dieses Bildsensors ist nachstehend erläutert.

Fig. 3 veranschaulicht ein Zeitsteuerdiagramm für die Treiber- oder Ansteuerimpulse Φ _{V 1}-Φ _{V 4} zu den Übertra gungselektroden 20, während Fig. 4 einen schematischen Querschnitt längs der Linie A-A bzw. B-B in Fig. 2A so wie eine Änderung im Potentialzustand im Bildsensor veranschaulicht. Die Ziffern 1 bis 16 nach Fig. 3 ent sprechen den betreffenden Ziffern gemäß Fig. 4.

Wenn gemäß Fig. 3 die Spannung Φ _{V 1} des Auslesegatters 31 zwischen Zeitpunkten to und t 1 eine Spannung V _FS er reicht, werden Signalladungen aus der Speicherdiode 11 auf einen Kanal unter der Übertragungselektrode 21 ausgelesen (vgl. Fig. 4A bis 4C). Wenn sich die An steuerimpulse Φ _{V 1}-Φ _{V 4} der einzelnen Übertragungselek troden 20 in einer Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t 1 und t 4 auf die in Fig. 3 gezeigte Weise ändern, wer den Signalladungen auf einen Kanal unter der Übertra gungselektrode 23 übertragen (vgl. Fig. 4C bis 4E). Zwischen Zeitpunkten t 4 und t 5 werden nach der vorlie genden Methode Vorspannungsladungen in die Speicher diode 11 injiziert. Das Injizieren der Vorspannungsla dungen wird später noch näher erläutert werden.

Wenn die Spannung Φ _{V 3} des Auslesegatters (oder -Gates) 32 zwischen Zeitpunkten t 5 und t 7 eine Spannung V _FS er reicht, werden Signalladungen aus der Speicherdiode 12 ausgelesen, und die Signalladungen werden zu denen in der Speicherdiode 11 in einem Kanal unter der Übertra gungselektrode 23 addiert (vgl. Fig. 4E bis 4G). Wenn sich die Ansteuerimpulse Φ _{V 1} bis Φ _{V 4} der einzelnen Übertragungselektroden 20 gemäß Fig. 3 in einer Zeit spanne zwischen Zeitpunkten t 7 und t 10 ändern, werden die Signalladungen auf einen Kanal unter der nächsten Übertragungselektrode 21 übertragen (vgl. Fig. 4G bis 4J). Zwischen den Zeitpunkten t 10 bis t 11 werden Vor spannungsladungen in die Speicherdiode 12 injiziert. Die vorstehend beschriebene Übertragung der Signalla dungen entspricht derjenigen beim herkömmlichen Zeilen sprung-Abtastsystem ( Teilbildspeichermodus).

Im folgenden ist die Art der lnjektion der Vorspannungs ladungen beschrieben. Obgleich sich diese folgende Be schreibung auf die Speicherdiode 11 bezieht, kann die gleiche Methode für das Injizieren von Vorspannungsla dungen in die Speicherdiode 12 angewandt werden.

Fig. 5 veranschaulicht die Ansteuerimpulse Φ _{V 1}, Φ _{B 1} und Φ _{D 1} zur Übertragungselektrode 21, zum Vorspannungsla dungs-Injiziergatter 41 bzw. zur Vorspannungsladungs- Injizierdiode 51. Fig. 6 veranschaulicht einen schema tischen Querschnitt längs der Linie B-B in Fig. 2A so wie eine Änderung im Potentialzustand im Sensor. Die Ziffern 1 bis 6 gemäß Fig. 5 bezeichnen Zeitpunkte (timings) entsprechend denen gemäß Fig. 6. Die Symbole "ta" und "te" in Fig. 5 entsprechen den Symbolen "t 4" bzw. "t 5" in Fig. 3.

Wenn die gleiche, für das Auslesen von Signalladungen gegebene Spannung V _FS in einer Zeitspanne zwischen ta und tb gemäß Fig. 5 an die Übertragungselektrode 21 an gelegt wird, wird das Auslesegatter 31 leitend gemacht bzw. durchgeschaltet (vgl. Fig. 6A und 6B). Wenn zwi schen den Zeitpunkten tb und tc eine Spannung V _ON an das Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41 angelegt wird, wird dieses Gatter 41 gemäß Fig. 6C geöffnet. Wenn sich eine an die Vorspannungsladungs-Injizier diode 51 anzulegende Spannung in einem Intervall zwi schen den Zeitpunkten tc und td von V _DR auf V _INJ än dert, werden die Vorspannungsladungen in die Speicher diode 11 über das Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41 und das Auslesegatter 31 injiziert (vgl. Fig. 6D). Wenn sich weiterhin die an die Übertragungselektrode 21 an zulegende Spannung V _FS auf 0 V ändert, wird das Auslese gatter 31 nichtleitend gemacht bzw. gesperrt, so daß ein spezifischer Anteil der Vorspannungsladungen in der Speicherdiode 11 verbleibt.

Wenn sich die an die Vorspannungsladungs-Injizierdiode 51 anzulegende Spannung in einem Intervall zwischen den Zeitpunkten td und te von V _INJ auf V _DR ändert, werden überschüssige Vorspannungsladungen gemäß Fig. 6E in diese Diode 51 entladen bzw. abgeleitet. Schließlich wird die Spannung des Vorspannungsladungs-Injiziergat ters 42 zu 0 V, wodurch dieses Gatter 41 geschlossen bzw. gesperrt wird. Hierauf ist eine Sequenz der Vor spannungsladungs-Injiziervorgänge abgeschlossen.

Fig. 7 veranschaulicht die Beziehung zwischen den Vor spannungsladungen und einem Restbild für ein Teilbild, wobei die gespeicherte Kapazität 6,5 nF und ein Signal strom 300 nA betragen. Wie aus dieser Darstellung her vorgeht, wird die Größe des Restbilds unter 0,1% ver nachlässigbar klein, wenn Vorspannungsladungen von etwa 40 nA, bezogen auf Strom, in die Speicherdiode inji ziert werden. Bei dieser Ausführungsform können Vor spannungsladungen von 40 nA, die ausreichen, um ein Restbild zu reduzieren bzw. zu unterdrücken, injiziert werden, indem das Potential V _INJ der Vorspannungsla dungs-Injizierdiode zum Zeitpunkt der Ladungsinjektion um 0,1 V kleiner eingestellt wird als das Potential des Signalladungs-Ausleseteils.

Wie vorstehend beschrieben, sind bei dieser Ausfüh rungsform die Gatter 40 und die Dioden 50 vorgesehen, um Vorspannungsladungen elektrisch in die Signalla dungs-Speicherdioden 10 zu injizieren, so daß die Vor spannungsladungen ohne die Notwendigkeit für eine Lichtquelle in die Speicherdioden 50 injiziert werden können. Infolgedessen können für die ausreichende Un terdrückung eines kapazitiven Restbilds genügend große Vorspannungsladungen gleichmäßig in die Speicherdioden 10 injiziert werden, so daß damit ein Restbild deutlich vermindert bzw. unterdrückt werden kann. Da der Fest körper-Bildsensor von einem Schichtaufbautyp ist, ruft auch die Anordnung der Vorspannungsladungs-Injektions gatter 40 und der Dioden 50 keine Probleme, wie Verklei nerung der Fläche eines lichtempfindlichen Teils, her vor.

Im folgenden ist eine andere Art der Ansteuerung des Festkörper-Bildsensors gemäß Fig. 1 erläutert.

Mit Ausnahme der vorher anhand der Fig. 5 und 6 be schriebenen Injektion von Vorspannungsladungen erfolgt diese Operation auf dieselbe Weise wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform.

Fig. 8 veranschaulicht die Treiber- oder Ansteuerimpul se Φ _{V 1}, Φ _{B 1} und Φ _{D 1} zur Übertragungselektrode 21, zum Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41 bzw. zur Vorspan nungsladungs-Injizierdiode 51; die Fig. 9A bis 9E ver anschaulichen einen schematischen Querschnitt längs der Linie B-B in Fig. 2A sowie eine Änderung im Potential zustand im Sensor. Ziffern 3 bis 6 in Fig. 8 bezeichnen Zeitpunkte entsprechend denen nach Fig. 9. Zeitpunkte ta und te gemäß Fig. 8 entsprechen den Zeitpunkten t 4 bzw. t 5 gemäß Fig. 3.

Diese Ansteuermethode unterscheidet sich von der vorher beschriebenen dadurch, daß Vorspannungsladungen, die vorübergehend in die Signalladungs-Speicherdiode inji ziert worden sind, über das Auslesegatter 31 zur Vor spannungsladungs-Injizierdiode 51 abgeleitet werden. Die Operation zwischen den Zeitpunkten ta und tc ist dieselbe wie bei der vorher beschriebenen Ausführungs form. Wenn sich eine an die Vorspannungsladungs-Inji zierdiode 51 anzulegende Spannung in einem Intervall zwischen den Zeitpunkten tc und td von V _DR auf V _INJ än dert, werden die Vorspannungsladungen gemäß Fig. 9B über das Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41 und das Auslesegatter 31 in die Speicherdiode 11 injiziert. Wenn sich die an die Vorspannungsladungs-Injizierdiode 51 anzulegende Spannung in einem lntervall zwischen den Zeitpunkten td und te von V _INJ auf V _DR ändert, werden vorübergehend in der Speicherdiode 11 gespeicherte Vor spannungsladungen gemäß Fig. 9C in diese Diode 51 ent laden bzw. abgeleitet. Wenn sich die an die Übertra gungselektrode 21 anzulegende Spannung von V _FS auf 0 V ändert, wird das Auslesegatter 31 gesperrt, wobei ein spezifischer Anteil der Vorspannungsladungen in der Speicherdiode 11 verbleibt (vgl. Fig. 9D). Schließlich erreicht die Spannung des Vorspannungsladungs-Injizier gatters 41 0 V, wodurch dieses Gatter 41 geschlossen bzw. gesperrt wird (vgl. Fig. 9E). Hierauf ist eine Se quenz der Vorspannungsladungs-Injizieroperationen ab geschlossen.

Bei der beschriebenen Ausführungsform werden die Vor spannungsladungen durch Herbeiführung einer Spannungs änderung der Vorspannungsladungs-Injizierdiode 51 von V_INJ auf V _DR vor dem Sperren (disabling) des Auslese gatters 31 abgeleitet. Wahlweise können die Vorspan nungsladungen abgeleitet werden, indem das Auslesegat ter 31 vorübergehend gesperrt und sodann wieder frei gegeben wird.

Fig. 10 veranschaulicht die Beziehung zwischen den Vor spannungsladungen und den Größen eines Restbilds sowie eines Dunkelstroms beim ersten Teilbild bei der be schriebenen Ausführungsform. Wenn dabei die Größe der injizierten Vorspannungsladungen einen spezifischen Pegel oder einen höheren Pegel erreicht, hängt der Dun kelstrom kaum von den Vorspannungsladungen ab. Wenn die Menge oder Größe der in die Speicherdiode zu injizie renden Vorspannungsladungen über einem spezifischen Pe gel liegt, obgleich sie von einem Pixel zum anderen variiert, ruft eine derartige Variation keine Änderung im Dunkelstrom hervor, und sie ist daher vernachlässig bar. Neben der mit der vorher beschriebenen Ausführungs form erreichten Wirkung bietet diese Ausführungsform somit den Vorteil, daß eine Variation bzw. Änderung in den Vorspannungsladungen vernachlässigbar ist.

Die Erfindung ist keineswegs auf die beschriebenen spe ziellen Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise brauchen die Vorspannungsladungs-Injiziergatter und -dioden nicht notwendigerweise den Signalladungs-Spei cherdioden des CCD-Kanals gegenüberliegend vorgesehen zu sein, vielmehr können sie auch auf der (gleichen) Seite der Speicherdioden angeordnet sein, solange es die Anordnung zuläßt, daß Vorspannungsladungen über die Signalladungs-Auslesegatter in die Speicherdioden injiziert werden. Obgleich bei den beschriebenen Aus führungsformen lediglich Vorspannungsladungs-Injizier gatter und -dioden vorgesehen sind, können Vorspannungs ladungs-Entlade- oder -Ableitgatter und -dioden neben jedem Ladungsübertragungsteil vorgesehen sein, und zwar zusätzlich zu den Vorspannungsladungs-Injiziergattern und -dioden, die neben den Signalladungs-Speicherdioden vorgesehen sind. Wenn Vorspannungsladungs-Ableitdiode und -gatter die Vorspannungsladungen über das Signal ladungs-Auslesegatter abzuleiten vermögen, ist ihre An ordnungsposition nicht eingeschränkt. Darüber hinaus ist die Erfindung auf allgemeine CCD-Bildsensoren sowie die oben erläuterten Schichtaufbau-Bildsensoren an wendbar.

Wie vorstehend im einzelnen beschrieben, sind erfin dungsgemäß Vorspannungsladungs-Injiziergatter und -dioden sowie Vorspannungsladungs-Ableitgatter und -dioden so vorgesehen, daß elektrische Injektion und Ableitung (discharging) von Vorspannungsladungen in bzw. aus der Speicherdiode sichergestellt sind. Infol gedessen können Vorspannungsladungen gleichmäßig und ohne die Notwendigkeit für eine Lichtquelle in die Signalladungs-Speicherdiode injiziert werden, wodurch die Restbildcharakteristik verbessert wird.

Im folgenden ist anhand von Fig. 11 eine andere Aus führungsform beschrieben.

Bei dieser Ausführungsform sind Speicherdioden 121 in einer Matrix auf einem Halbleitersubstrat 110 angeord net, wobei zahlreiche vertikale Register 130 neben den Dioden 121 in Vertikalrichtung (C-Richtung) ausgebildet sind. Neben diesen Registern sind in vertikaler Rich tung zahlreiche Vorspannungsladungs-Injizier/Ableit teile 131 vorgesehen. Am einen Ende der Vertikalregi ster 130 ist ein Horizontalregister 140 vorgesehen, an dessen einem Ende ein Ladungsdetektor 141 vorgesehen ist.

Nachstehend ist die Anordnung des Bildsensors gemäß Fig. 11 anhand der Fig. 12A und 12C im einzelnen erläu tert. Gemäß Fig. 12B sind der die Speicherdioden bil dende n-Typ -Bereich 121 und der die Vorspannungsla dungs-Injizier/Ableitdioden bildende n-Typ-Bereich 122 auf dem p-Typ-Siliziumsubstrat 110 ausgebildet. In Ver tikalrichtung zwischen den Speicherdioden 121 und den Vorspannungsladungs-Injizier/Ableitdioden 122 sind n- (Typ-)CCD-Kanäle 112 vorgesehen. Über jedem CCD-Kanal 112 liegt ein Auslesegatter 114 zum Auslesen von La dungen aus der Speicherdiode 121 auf diesem CCD-Kanal 112. Zwischen den Auslesegattern 114 ist ein Übertra gungsgatter 116 zum Übertragen von Ladungen in Verti kalrichtung vorgesehen. Weiterhin sind neben den Aus lesegattern 114 Vorspannungsladungs-Injizier/Ableit gatter 118 zum Injizieren und Ableiten von Vorspannungs ladungen in die bzw. aus den Vorspannungsladungs-Ab leitdioden (Ladungsdioden) 122 vorgesehen. Jedes Aus lesegatter 114 liegt über dem CCD-Kanal 112 und er streckt sich vom einen Ende der Speicherdiode 121 zum einen Ende der Diode 122. Gemäß Fig. 12B sind ein La dungsauslesebereich 122 zwischen dem CCD-Kanal 112 und der Speicherdiode 121 und ein Vorspannungsladungs-In jizier/Ableitbereich 133 zwischen dem CCD-Kanal 121 und der Diode 122 ausgebildet. Gemäß Fig. 12C ist zwischen benachbarten Speicherdioden 121 zum Trennen derselben ein p-Bereich bzw. eine p-Zone 111 erzeugt. Auf ähn liche Weise ist ein p-Bereich 111 zum Trennen von n Reihen von CCD-Kanälen 112 voneinander zwischen diesen Kanälen vorgesehen (vgl. Fig. 12B).

Eine Pixelelektrode 127 ist unter Zwischenfügung eines Isolierfilms 119 auf dem Siliziumsubstrat 110 und den Gattern 114, 116 und 118 angeordnet. Diese Pixelelek trode 127 ist über Leitungselektroden 124 mit den Spei cherdioden 121 gekoppelt. Eine an die Vorspannungsla dungs-Injizier/Ableitdiode 122 angeschlossene Verdrah tung 125 ist zwischen der Pixelelektrode 127 und dem Vorspannungsladungs-Injizier/Ableitgatter 118 ausge bildet. Ein Photoleiterfilm 128 aus amorphem Silizium (Si) oder dergleichen ist auf der Pixelelektrode 127 ausgebildet, während eine transparente Elektrode 129 aus ITO oder dergleichen auf dem Film 128 erzeugt ist. Gemäß Fig. 11 ist ein Horizontalregister 140 horizon tal bzw. waagerecht am einen Ende der Vertikalregister 130 vorgesehen. Von den Vertikalregistern 130 werden Ladungen zum Horizontalregister 140 übertragen, wobei diese Ladungen durch den Ladungsdetektor 141 detektiert werden.

Das besondere Merkmal des Festkörper-Bildsensors mit dem beschriebenen Aufbau liegt darin, daß Injektion und Ableitung von Vorspannungsladungen durch die gleiche Diode 122 und das gleiche Gatter 118 erfolgen. Weiter hin sind neben beiden Seiten jedes Vorspannungsladungs- Injizier/Ableitteils 131 (2n-1) Reihen von Ladungs übertragungsteilen und 2n Reihen von Ladungsübertra gungsteilen (n = eine positive ganze Zahl) vorgesehen. Mit anderen Worten: eine (lotrechte) Spalte des Vorspan nungsladungs-Injizier/Ableitteils 131 ist für zwei be nachbarte (waagerechte) Reihen bzw. Zeilen der Ladungs- Übertragungsteile vorgesehen. Ebenso sind in Vertikal richtung (C-Richtung) (2n-1) Reihen bzw. Zeilen und 2n Reihen bzw. Zeilen (n = eine positive ganze Zahl) von Speicherdioden angeordnet. Mit dieser Anordnung wird die horizontale Fläche verkleinert.

Injektion und Ableitung von Vorspannungsladungen im be schriebenen Festkörper-Bildsensor können auf dieselbe Weise wie bei den vorher anhand der Fig. 5, 6A bis 6E, 8 und 9 A bis 9 E erläuterten Ausführungsformen erfolgen. In diesem Fall entsprechen die Vorspannungsladungs-In jizierdiode 51, das -Injiziergatter 41, das Signalla dungs-Auslesegatter 31, das auch als Übertragungselek trode dient, und die Speicherdiode 11 (vgl. Fig. 6A und 9A) jeweils der Vorspannungsladungs-Injizierdiode 122, dem -Injiziergatter 118, dem Signalladungs-Auslesegat ter 114, das auch als Übertragungselektrode dient, bzw. der Speicherdiode 121 gemäß Fig. 12B.

Wenn bei der in den Fig. 9A bis 9E dargestellten Ope ration in einem Fall, in welchem das bedarfsweise an die Diode 122 anzulegende Potential gleich V _INJ ist (entsprechend dem Zustand gemäß Fig. 9B), das Potential Φ _TE der transparenten Elektrode 129 gemäß Fig. 13 auf einen höheren Wert als V _INJ eingestellt oder gesteuert wird, wird im Photoleiterfilm 128 ein Potential er zeugt, das von der Speicherdiode 122 zur transparenten Elektrode 129 abnimmt, so daß eine gute Injektion bzw. Wanneninjektion (well injection) von Vorspannungsla dungen in den Photoleiterfilm 128 gewährleistet wird. Infolgedessen können ein kapazitives Bild und ein Pho toleiter-Restbild sicher ausgeschaltet werden.

Im folgenden ist anhand der Fig. 14A bis 19C ein Ver fahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors gemäß den Fig. 1 und 2A bis 2C beschrieben.

Zunächst wird ein Fremdatom desselben Leitfähigkeits typs wie dem eines p-Siliziumsubstrats 110 unter Ver wendung einer vorbestimmten Maske durch Ioneninjektion in das Substrat 110 eingeführt, um dabei im Substrat 110 eine p⁺-Zone (Inversionsschutzzone oder -bereich) 111 zu erzeugen. Weiterhin wird im Substrat 110 unter Verwendung einer gegebenen Maske durch Ioneninjektion oder PSG-Diffusion ein bandförmiger CCD-Kanal (n-Zone) 112 erzeugt.

Hierauf wird auf dem Substrat 110 über einen Gateoxid film 113 ein polykristalliner Siliziumfilm 114 erzeugt und zu einem vorbestimmten Muster geformt, um ein erstes Transfergatter 114 gemäß den Fig. 15A bis 15C zu erzeugen. Dabei wird im polykristallinen Silziumfilm 114 eine Öffnung C ausgebildet.

Danach wird auf dem Substrat 110 über einen Gateoxid film 115 ein polykristalliner Siliziumfilm 116 erzeugt und zu einem vorbestimmten Muster geformt, um ein zwei tes Übertragungsgatter 116 gemäß den Fig. 16A bis 16C zu bilden.

Hierauf wird auf dem Substrat 110 über einen Gateoxid film 117 ein polykristalliner Silziumfilm 118 erzeugt und zu einem vorbestimmten Muster geformt, um ein Vor spannungsladungs-Injizier/Ableitgatter 118 gemäß den Fig. 17A bis 17C zu bilden.

Anschließend wird nach einem CVD-Verfahren eine Isolier schicht 119 auf das Halbleitergebilde gemäß den Fig. 17A bis 17C aufgebracht bzw. aufgedampft, wonach im Speicherdiodenbereich und im Vorspannungsladungs-Inji zier/Ableitdiodenbereich ein Kontaktloch 120 ausgebil det wird (vgl. Fig. 18A bis 18C). Über dieses Kontakt loch 120 wird durch Ioneninjektion oder PSG-Diffusion eine als Speicherdiode dienende n-Zone 122 erzeugt.

Sodann wird auf der Seitenwand des Kontaktlochs 120 ein Isolierfilm 123 ausgebildet, wonach im Kontaktloch 120 ein polykristalliner Siliziumfilm oder eine andere Leiter schicht geformt wird, um damit eine Zuleitungs- bzw. Leiterelektrode 124 und eine Drahtleitung 125 für die Vorspannungsladungs-Injizier/Ableitdiode herzustellen (vgl. Fig. 19A bis 19C) .

Der Isolierfilm 123 wird wie folgt ausgebildet: Bei spielsweise wird auf dem Substrat 110 über das Kontakt loch 120 ein thermisch oxidierter Film bzw. thermischer Oxidfilm erzeugt, auf welchem ein Siliziumnitridfilm abgelagert wird, worauf diese beiden Filme durch re aktives Ionenätzen zurückgeätzt werden, so daß sie auf der Seitenwand des Kontaktlochs 120 zurückbleiben.

Danach wird in der Leiterelektrode 124 ein Kontaktloch 126 ausgebildet, durch das hindurch eine Pixelelektro de 127 auf der Leiterelektrode 124 erzeugt wird (vgl. Fig. 12A bis 12C). Auf der Pixelelektrode 127 wird ein Photoleiterfilm 128 aus amorphem Silizium oder der gleichen abgelagert, und eine transparente Elektrode 129 aus ITO oder dergleichen wird auf den Photoleiterfilm 128 aufgebracht.

Beim oben beschriebenen Gebilde können das Signal-Aus lesegatter 114 und die Leiterelektrode 124 oder das Vor spannungsladungs-Injizier/Ableitgatter 118 und seine Drahtleitung 125 durch Selbstjustierung ohne Berücksich tigung ihrer Mißausrichtung oder Konversionsdifferenz geformt werden. Auf diese Weise können die Flächen der Speicherdiode 121 und der Vorspannungsladungs-Injizier/Ableit diode 122 verkleinert werden. Weiterhin kann durch die Anordnung der Dioden 121 und 122 ein Rest bild sicher unterdrückt werden. Da außerdem die vor übergehend injizierten Vorspannungsladungen über das Auslesegatter 114 zur Vorspannungsladungs-Injizier/Ab leitdiode 122 entladen bzw. abgeleitet werden, hängt die Größe des Dunkelstroms nicht von der Größe der Vor spannungsladungen über einem spezifischen Mengenanteil ab, wodurch eine gleichmäßige Injektion von Vorspan nungsladungen gewährleistet wird.

Bei der beschriebenen Ausführungsform können die Spei cherdiode 121 und die genannte Diode 122 durch Fremd atomdiffusion aus der Zuleit- oder Leiterelektrode 124 und der Drahtleitung 125 geformt werden.

Die Speicherdioden brauchen nicht in einer Matrixform angeordnet zu sein, sondern können auch in einer Reihe bzw. Zeile angeordnet sein. In diesem Fall brauchen die Vertikalregister nicht vom Horizontalregister getrennt zu sein, und es braucht nur ein einziger Ladungsüber tragungsteil längs der Reihe der Speicherdioden vorge sehen zu werden.

Nachstehend ist anhand von Fig. 20 ein Verfahren zum Injizieren von Vorspannungsladungen durch Änderung des Potentials der transparenten Elektrode im Festkörper- Bildsensor gemäß den Fig. 1 und 2 beschrieben. Obgleich sich die folgende Beschreibung auf die Injektion von Vorspannungsladungen in den Photoleiterfilm 84 über die Speicherdiode 11 bezieht, ist die gleiche Methode für die Injektion von Vorspannungsladungen in den Photo leiterfilm 84 über die Speicherdiode 12 anwendbar.

Fig. 20 veranschaulicht die Treiber- oder Ansteuerim pulse Φ _{V 1}, Φ _{B 1}, Φ _{D 1} und Φ _TE zur Übertragungselektrode 21, zum Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41, zur Vor spannungsladungs-Injizierdiode 51 bzw. zur transparen ten Elektrode 85. Die Fig. 21A bis 21I veranschaulichen einen schematischen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2A sowie eine Änderung des Potentialzustands im Bild sensor. Ziffern 1 bis 6 in Fig. 20 stehen für Zeitpunk te entsprechend denen nach den Fig. 21B bis 21I. Symbo le "ta" und "te" gemäß Fig. 20 entsprechen "t 4" bzw. "t 5" nach Fig. 3.

Wenn die gleiche, für das Auslesen von Signalladungen gegebene Spannung V _FS gemäß Fig. 20 in einem Intervall zwischen Zeitpunkten ta und tb an die Übertragungs elektrode 21 angelegt wird, wird das Auslesegatter 31 gemäß Fig. 21B durchgeschaltet bzw. geöffnet. Wenn zwi schen Zeitpunkten tb und tc eine Spannung V _ON an das Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41 angelegt wird, wird letzteres gemäß Fig. 21C geöffnet. Wenn sich die an die Vorspannungsladungs-Injizierdiode 51 anzulegende Spannung in einem Intervall zwischen Zeitpunkten tc und td von V _DR auf V _INJ ändert, werden die Vorspannungsla dungen über das Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41 und das Auslesegatter 31 in die Speicherdiode 11 inji ziert (vgl. Fig. 21D).

Wenn sich die an die transparente Elektrode 85 anzu legende Spannung während eines Intervalls zwischen td und te von V ₀ auf V _f ändert, werden die Vorspannungsla dungen über die Speicherdiode 11 in den Photoleiter film 84 injiziert (vgl. Fig. 21E). Ein Teil der in den Photoleiterfilm 84 injizierten Vorspannungsladungen füllt das Fangstellenniveau aus, das eine Ursache für ein Photoleiter-Restbilds ist. Wenn sich die an die trans parente Elektrode 25 anzulegende Spannung zwischen den Zeitpunkten te und tf von V _f auf V ₀ ändert, wird der überschüssige Anteil der Signalladungen, welcher das Fangstelleniveau nicht auffüllt, zur Seite der Spei cherdiode 11 abgeleitet (vgl. Fig. 21F).

Wenn sich die an die Vorspannungsladungs-Injizierdiode 51 anzulegende Spannung während eines Intervalls zwi schen tf und tg von V _INJ auf V _DR ändert, werden die Vor spannungsladungen im Ansteuerimpuls 11 gemäß Fig. 21G ebenfalls zu dieser Diode 51 abgeleitet. Wenn sich die an die Übertragungselektrode 21 anzulegende Spannung von V _FS auf 0 ändert, wird das Auslesegatter gemäß Fig. 21H geschlossen bzw. gesperrt (rendered OFF). Schließ lich wird die Spannung des Vorspannungsladungs-Inji ziergatters 41 zu 0 V, wodurch dieses Gatter 41 ge schlossen wird (vgl. Fig. 21I). Hierauf ist eine Se quenz der Vorspannungsladungs-Injizieroperationen ab geschlossen.

Da bei der beschriebenen Ausführungsform das Gatter 40 und die Diode 50 vorgesehen sind, um Vorspannungsla dungen elektrisch in die Signalladungs-Speicherdiode 10 zu injizieren bzw. aus ihr abzuleiten, können die Si gnalladungen ohne Notwendigkeit für eine Lichtquelle in die Speicherdiode 50 injiziert werden. Infolgedessen können für die zufriedenstellende Unterdrückung einer kapazitiven Verzögerung ausreichend große Vorspannungs ladungen gleichmäßig in die Speicherdiode 50 injiziert werden, so daß auf diese Weise ein Restbild wirksam und deutlich reduziert bzw. unterdrückt werden kann.

Da weiterhin Vorspannungsladungen durch Änderung der an die transparente Elektrode 85 anzulegenden Spannung über die Speicherdiode 50 elektrisch in den Photolei terfilm 84 injiziert werden, ist es möglich, eine aus reichende Menge der Vorspannungsladungen zu injizieren und damit eine Photoleiter-Verzögerung zu vermindern bzw. zu unterdrücken. Zusätzlich zu Signalladungen wird außerdem eine Überschußmenge oder -größe der injizier ten Vorspannungsladungen über die Speicherdiode 50 zur Vorspannungsladungs-Injizierdiode 51 abgeleitet, so daß der Dynamikbereich nicht eingeschränkt wird.

Bei der oben beschriebenen Operation braucht die an die transparente Elektrode anzulegende Spannung nur in der Weise geändert zu werden, daß die Vorspannungsladungen in den Photoleiterfilm injiziert oder aus ihm abgelei tet werden können, während das Potential der Speicher diode durch das Potential der Vorspannungsladungs-Inji zierdiode bestimmt wird. Weiterhin kann die an die transparente Elektrode anzulegende Spannung in der Weise geändert werden, daß das von der transparenten Elektrode zur Speicherdiode verlaufende oder reichende Magnetfeld vergrößert wird, um den Wirkungsgrad der Ab leitung der Überschußmenge an Vorspannungsladungen zu verbessern, solange die an die transparente Elektrode angelegte Spannung auf den zum Zeitpunkt der Speiche rung von Signalladungen vorgesehenen Pegel zurückge führt wird, während das Potential der Speicherdiode durch das Potential der Vorspannungsladungs-Injizier diode bestimmt wird.

Bei der beschriebenen Ausführungsform können aufgrund der Anordnung von Gatter und Diode für Injektion und Ableitung von Vorspannungsladungen die letzteren in die Speicherdiode injiziert bzw. aus ihr abgeleitet werden. Es ist damit möglich, die Vorspannungsladungen ohne die Notwendigkeit für eine Lichtquelle gleichmäßig in die Signalladungs-Speicherdiode zu injizieren, wodurch die Restbildcharakteristik verbessert wird. Darüber hinaus können die Vorspannungsladungen elektrisch in den Pho toleiterfilm injiziert und aus ihm abgeleitet werden, so daß eine für die Reduzierung oder Unterdrückung der Photoleiter-Verzögerung ausreichend große Menge an Vor spannungsladungen injiziert und der Überschußanteil der Vorspannungsladungen abgeleitet werden kann, wodurch eine Einschränkung des Dynamikbereichs vermieden wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 22 sind zahlreiche Signalladungs-Speicherdioden 10 in einer Matrix auf einem Si-Substrat angeordnet, wobei Übertra gungselektroden eines vertikalen CCD-Elements in Spal ten und neben den Speicherdioden 10 vorgesehen sind. Diese Übertragungselektroden werden mit Treiber- oder Ansteuerimpulsen Φ _{V 1}, Φ _{V 2}, Φ _{V 3} und Φ _{V 4} beaufschlagt, wobei das vertikale CCD-Element von einem Vierphasen-Ansteuertyp ist. Die Elektroden 20, an welchen die An steuerimpulse Φ _{V 1} und Φ _{V 3} anliegen, dienen auch als Signalladungs-Auslesegatter 30.

Dieser Festkörper-Bildsensor umfaßt Ladungsinjizier- Gatter 40 und -dioden 50, Vorspannungsladungs-Ableit gatter 240 und -dioden 50′. Die Vorspannungsladungs-Ab leitgatter 240 und -dioden 50′ sind auf der gegenüber liegenden Seite von den Speicherdioden 10 des vertika len CCD-Elements vorgesehen, und die Vorspannungsla dungs-Injiziergatter 40 und -dioden 50 sind den Spei cherdioden 10 benachbart angeordnet. Treiber- bzw. An steuerimpulse Φ _{B 1} und Φ _{B 2} werden an die Gatter 40, An steuerimpulse Φ _{C 1} und Φ _{C 2} an die Gatter 240 und An steuerimpulse Φ _{D 1} und Φ _{D 2} an die Dioden 50 angelegt. Als Ergebnis werden die Vorspannungsladungen von den Dioden 50 über die Gatter 40 injiziert, während die gespeicherten Vorspannungsladungen von den Speicher dioden 10 zu den Dioden 50 über die Auslesegatter 30, das vertikale CCD-Element und die Gatter 240 abgelei tet werden.

Wie aus der Aufsicht des Festkörper-Bildsensors gemäß Fig. 23A hervorgeht, bilden von den Übertragungselek troden 20 diejenigen Elektroden 21, 23, an denen die Ansteuerimpulse Φ _{V 1} und Φ _{V 3} anliegen, eine erste Poly siliziumschicht, während die mit den Ansteuerimpulse Φ _{V 2} und Φ _{V 4} beaufschlagten Elektroden 22, 24 eine zwei te Polysiliziumschicht bilden. Die Gatter 40 bilden eine dritte Polysiliziumschicht. Zahlreiche vertikale CCD-Kanäle 60 sind lotrecht bzw. vertikal vorgesehen. An die Dioden 50′ ist eine Elektrode 51 angeschlossen. Die Speicherdioden 10 umfassen jeweils eine Diode 11 neben der Übertragungselektrode 21 und eine Diode 12 neben der Übertragungselektrode 23. Auf ähnliche Weise umfassen jedes Auslesegatter 30, jedes Vorspannungsla dungs-Injiziergatter 40, jedes Vorspannungsladungs- Ab leitgatter 240, jede Diode 50 und jede Vorspannungsla dungs-Injizierelektrode 70 jeweils ein Signalladungs- Auslesegatter 31, ein Vorspannungsladungs-Injiziergat ter 41, ein Vorspannungsladungs-Ableitgatter 241, eine Diode 51 und eine Vorspannungsladungs-Injizierelektro de 71 in bezug auf die bzw. für die Speicherdiode 11 sowie jeweils ein Signalladungs-Auslesegatter 32, ein Vorspannungsladungs-Injiziergatter 42, ein -Ableitgat ter 242, eine Diode 52 und eine Vorspannungsladungs-In jizierelektrode 72 in bezug auf die bzw. für die Spei cherdiode 12.

Gemäß den Fig. 23B und 23C ist der n-(Typ-)CCD-Kanal bereich 60 auf einem p-Substrat 81 ausgebildet. Die Übertragungselektroden 21 bis 24 sind sequentiell bzw. aufeinanderfolgend auf dem Kanalbereich 60 längs die ses Bereichs geformt. Der Diodenbereich 11 ist neben dem Kanalbereich 60 ausgebildet, wobei eine Pixelelek trodendrahtleitung 82 an diesen Diodenbereich 11 ange koppelt ist. Der Diodenbereich 51 ist auf der einen, vom Diodenbereich 11 abgewandten Seite des Kanalbe reichs 60 geformt. Die Vorspannungsladungs-Injizier elektrode 71 ist an diesen Diodenbereich 51 angeschlos sen. Die Vorspannungsladungs-Injiziergatterelektroden oder -gateelektroden 41 und 42 sowie die -Ableitgatter 241 und 242 sind unter Isolierung auf dem Substrat 81 zwischen dem Diodenbereich 51 und dem Kanalbereich 60 sowie zwischen dem Diodenbereich 51 und der Speicher diode 11 ausgebildet. Die Gateelektrode 41 erstreckt sich über den Bereich zwischen den Übertragungselektro den 21 und 24, während sich die Gatter- bzw. Gateelek trode 42 über dem Bereich zwischen den Übertragungs elektroden 22 und 23 erstreckt. Die Vorspannungsla dungs-Injizierelektroden 71 und 72 erstrecken sich über Isolierschichten oberhalb der Übertragungselektroden. Die Pixelelektrodendrahtleitung 82 ist an eine Pixel elektrode 83 angeschlossen.

Auf der gesamten Oberfläche des beschriebenen Halblei tergebildes ist ein Photoleiterfilm 84 geformt, auf dessen gesamter Oberseite eine transparente Elektrode 85 ausgebildet ist.

Die Arbeitsweise des Bildsensors gemäß Fig. 22 bis 23C ist nachstehend in Verbindung mit den Zeitsteuerdiagram men gemäß Fig. 3 sowie anhand der Fig. 4A bis 4L beschrieben.

Wenn gemäß Fig. 3 die Spannung Φ _{V 1} des Auslesegatters 31 zwischen Zeitpunkten to und t 1 zu einer Spannung V _FS wird, werden Signalladungen aus der Speicherdiode 11 auf einen Kanal unter der Übertragungselektrode 21 aus gelesen (vgl. Fig. 4A bis 4C). Wenn sich die Ansteuer impulse Φ _{V 1} bis Φ _{V 4} der einzelnen Übertragungselektro den 20 gemäß Fig. 4 während eines Intervalls zwischen Zeitpunkten t 1 und t 4 ändern, werden die Signalladungen auf einen Kanal unter der Übertragungselektrode 23 übertragen (vgl. Fig. 4C bis 4E). Zwischen Zeitpunkten t 4 und t 5 werden Vorspannungsladungen nach der vorlie genden Methode in die Speicherdiode 11 injiziert und aus ihr abgeleitet. Das Injizieren und Ableiten der Vor spannungsladungen wird später noch näher erläutert werden.

Wenn die Spannung Φ _{V 3} des Auslesegatters 32 zwischen Zeitpunkten t 5 und t 7 zu einer Spannung V _FS wird, wer den Signalladungen aus der Speicherdiode 12 ausgelesen und mit den (Ladungen) in der Speicherdiode 11 in einem Kanal unter der Übertragungselektrode 23 addiert (vgl. Fig. 4E bis 4G). Wenn sich die Ansteuerimpulse Φ _{V 1} bis Φ _{V 4} der einzelnen Übertragungselektroden 20 gemäß Fig. 3 in einem Intervall zwischen Zeitpunkten t 7 und t 10 ändern, werden Signalladungen auf einen Kanal unter der nächsten Übertragungselektrode 21 übertragen (vgl. Fig. 4G bis 4J). Zwischen Zeitpunkten t 10 bis t 11 werden Vor spannungsladungen in die Speicherdiode 12 injiziert.

Die oben beschriebene Übertragung der Signalladungen ist die gleiche wie beim herkömmlichen Zeilensprung- Ab tastsystem (Teilbildspeichermodus).

Im folgenden ist die Injektion von Vorspannungsladungen beschrieben. Obgleich sich diese Beschreibung auf die Speicherdiode 11 bezieht, ist die gleiche Methode auch für die Injektion von Vorspannungsladungen in die Spei cherdiode 12 anwendbar.

Fig. 24 veranschaulicht die Treiber- oder Ansteuerimpul se Φ _{V 1}, Φ _{B 1}, Φ _{C 1} und Φ _{D 1} zur Übertragungselektrode 21, zum Vorspannungsladungs-Injiziergatter 41 und zum -Ab leitergatter 41 bzw. zur Diode 51. Die Fig. 25A bis 25E veranschaulichen einen schematischen Querschnitt längs der Linie B-B in Fig. 2A sowie Änderungen im Potenti alzustand im Sensor. Die Ziffern 1 bis 6 in Fig. 24 stehen für Zeitpunkte entsprechend denen nach den Fig. 6B bis 6E. Die Symbole "ta" und "tf" in Fig. 24 ent sprechen den Symbolen (Zeitpunkten) t 4 bzw. t 5 gemäß Fig. 3.

Wenn die Spannung V _ON zwischen den Zeitpunkten ta und tb ge mäß Fig. 24 an das Vorspannungsladungs-Injiziergatter 241 angelegt wird, wird dieses Gatter 241 gemäß Fig. 25A geöffnet. Sodann wird eine Vorspannungsladungs-In jizierspannung V _INJ an die Diode 51 angelegt, wobei diese Diode als Vorspannungsladungs-Injizierdiode wirkt und die Vorspannungsladungen über das Vorspannungsla dungs-Injiziergatter 241 in die Speicherdiode 11 inji ziert. Wenn die an das Gatter 241 angelegte Spannung zwischen den Zeitpunkten tb und tf von V _ON auf V _OFF variiert, schließt das Gatter 241 (vgl. Fig. 25B), wor auf die Injektionsoperation für die Vorspannungsla dungen abgeschlossen ist. In dieser Zeitspanne ändert sich die an der Diode 51 anliegende Spannung von V _INJ auf V _DR, so daß die Diode 51 als Vorspannungsladungs- Ableitdiode wirksam wird. Wenn zwischen den Zeitpunkten tc und td die gleiche Spannung V _FS wie in der Signal ladungs-Ausleseoperation an die Übertragungselektrode 21 angelegt wird, wird das Signalladungs-Auslesegatter 31 eingeschaltet bzw. durchgeschaltet, so daß die Vor spannungsladungen von der Speicherdiode aus dem verti kalen CCD-Element abgeleitet werden. Wenn in diesem Zustand die Spannung V _ON an das Vorspannungsladungs- Gatter 241 angelegt wird, wird dieses gemäß Fig. 25D geöffnet, so daß die Vorspannungsladungen vom verti kalen CCD-Element zur Diode 51 abgeleitet werden.

Wenn sich die an der Übertragungselektrode 21 anlie gende Spannung zwischen den Zeitpunkten td und te von V _FS auf 0 V ändert, wird das Signalladungs-Auslesegat er 31 abgeschaltet bzw. gesperrt. In einer letzten Pe riode zwischen den Zeitpunkten te und tf wird die am Vorspannungsladungs-Ableitgatter 241 anliegende Span nung von V _ON auf 0 (V) geändert, so daß sich die an der Diode 51 anliegende Spannung von V _RD auf V _INJ ändert und damit das Vorspannungsladungs-Ableitgatter 241 ge schlossen wird. Als Ergebnis wird die Diode 51 als Vor spannungsladungs-Injizierdiode wirksam, wobei eine Se quenz der Vorspannungsladungs-Injektions- und -Ableit operationen abgeschlossen ist.

Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 22 und 25E wird die Diode 50 gemeinsam sowohl für Ladungsinjektion als auch -ableitung benutzt; wenn jeweilige getrennte Dio den für Ladungsinjektion und -Ableitung vorgesehen sind, werden die Vorspannungsladung-Injizierdiode mit der Spannung V _INJ und die Vorspannungsladungs-Ableit diode mit der Spannung V _DR beaufschlagt, während die anderen Schaltungselemente ähnlich wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform betrieben werden.

Claims

1. Festkörper-Bildsensor, gekennzeichnet durch
ein Halbleitersubstrat (81),
eine Anzahl von im Halbleitersubstrat geformten Anordnungen oder Arrays von Signalladungs-Speicher dioden (10),
eine Anzahl von den Arrays der Signalladungs- Speicherdioden benachbart im Halbleitersubstrat ausgebildeten Signal(ladungs)-Ausleseteilen (30),
eine Anzahl von diesen Ausleseteilen benachbart im Halbleitersubstrat ausgebildeten Signalladungs- Übertragungsteilen (20) und
(je) eine Anzahl von den Signalladungs-Übertra gungsteilen benachbart vorgesehenen Vorspannungsla dungs-Injiziergattern (41) und -dioden (51) zum In jizieren von Vorspannungsladungen in die Signal ladungs-Speicherdioden über die Signalladungs- Ausleseteile.

2. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder der Signalladungs-Auslese teile und jeder der Signalladungs-Übertragungsteile durch (je) eine Ausleseelektrode (31) und eine Übertragungselektrode (21) gebildet ist, die mate rialeinheitlich geformt sind.

3. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Vorspannungsladungs- Injizier gatter (41) und -dioden (51) den Signalladungs- Übertragungsteilen benachbart auf einer den Spei cherdioden gegenüberliegenden Seite vorgesehen sind.

4. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß (die) Pixelelektrode) (83) und die Signalladungs-Speicherdioden in einer Matrix form angeordnet sind, die Signalladungs-Übertra gungsteile (20) eine Anzahl von in einer Reihe bzw. Zeile längs der Anordnung der Speicherdioden ange ordneten Signalladungs-Übertragungsarrays umfas sen, die Vorspannungsladung-Injiziergatter (41) und -dioden (51) in Zuordnung zu den Signalladungs- Speicherdioden vorgesehen sind und nachdem die Si gnalladungen aus den Signalladungs-Speicherdioden ausgelesen sind, die Vorspannungsladungen in alle Signalladungs-Speicherdioden für jede zweite Reihe der Signalladungs-Speicherdioden injiziert werden.

5. Festkörper-Bildsensor, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat (81),
eine Anzahl von im Halbleitersubstrat geformten Signalladungs-Speicherdioden (10),
eine Anzahl von den Signalladungs-Speicherdioden benachbart im Halbleitersubstrat ausgebildeten Si gnal(ladungs)ausleseteilen (30),
eine Anzahl von den Signalladungs-Ausleseteilen benachbart im Halbleitersubstrat ausgebildeten Si gnalladungs-Übertragungsteilen (20) und
eine Anzahl von den Signalladungs-Übertragungs teilen (20) benachbart vorgesehenen Vorspannungs ladungs-Injizier/Ableitgattern (41) und -dioden (51) zum Injizieren von Vorspannungsladungen in die Signalladungs-Speicherdioden über die Signalla dungs-Ausleseteile und zum über die Signalla dungs-Ausleseteile (30) erfolgenden Entladen bzw. Ableiten der in die Signalladungs-Speicherdioden injizierten Vorspannungsladungen.

6. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder der Signalladungs-Auslese teile (30) und jeder der Signalladungs-Übertragungs teile jeweils durch eine Ausleseelektrode und eine Übertragungselektrode gebildet ist, die material einheitlich ausgebildet sind.

7. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Vorspannungsladungs-Injizier/Ableitgatter (41) und -dioden (51) den Signalla dungs-Übertragungsteilen (20) benachbart auf einer den Speicherdioden gegenüberliegenden Seite vorge sehen sind.

8. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß (die) Pixelelektroden (83) und die Signalladungs-Speicherdioden (10) in einer Ma trixform angeordnet sind, die Signalladungs-Über tragungsteile (20) eine Anzahl von in einer Reihe oder Zeile längs der Anordnung der Speicherdioden angeordneten Signalladungs-Übertragungsarrays um fassen, die Vorspannungsladungs-Injiziergatter und -dioden in Zuordnung zu den Signalladungs-Speicher dioden angeordnet sind und nachdem Signalladungen aus den Signalladungs-Speicherdioden ausgelesen sind, die Vorspannungsladungen in alle Signalla dungs-Speicherdioden für jede (in jeder) zweite(n) Reihe der Signalladungs-Speicherdioden injiziert werden.

9. Festkörper-Bildsensor, gekennzeichnet durch
ein Halbleitersubstrat (110),
eine Anzahl von auf dem Halbleitersubstrat vor gesehenen Pixelelementen mit einer Anzahl von Spei cherdioden (121),
eine Anzahl von den Speicherdioden benachbart vorgesehenen Ladungsübertragungsteilen (116),
eine Anzahl von Signal(ladungs)ausleseteilen (114) zum Auslesen von in den Speicherdioden ge speicherten Signalladungen zu den Ladungsübertra gungsteilen und
eine Anzahl von Vorspannungsladungs-Injizier/Ab leitgattern und -dioden (122), die gemeinsam für die horizontal nebeneinander liegenden Pixelelemen te vorgesehen sind und zum Injizieren von Vorspan nungsladungen in die Speicherdioden und zum Ablei ten der Vorspannungsladungen von den Speicherdioden dienen.

10. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ladungsübertragungsteile eine Anzahl von im Halbleitersubstrat ausgebildeten Ka nalbereichen oder -zonen (112) aufweisen und die Speicherdioden zwischen den einander benachbarten Kanalbereichen angeordnet sind.

11. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Speicherdioden (121) in einer Matrixform auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind, die Ladungsübertragungsteile (116) eine An zahl von vertikalen Registern umfassen, die lot recht bzw. vertikal den Speicherdioden benachbart angeordnet sind, und die Vorspannungsladungs-Inji zier/Ableitdioden (122) den vertikalen Registern lotrecht oder vertikal benachbart ausgebildet sind.

12. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Vorspannungsladungs-Injizier/Ableit dioden (122) in einer Anzahl von Reihen bzw. Zeilen angeordnet sind und (je) zwei nebeneinander liegende Ladungsübertragungsteile (116) auf beiden Seiten jeder Reihe der Speicherdioden (121) ange ordnet sind.

13. Festkörper-Bildsensor, gekennzeichnet durch
einen Festkörper-Bildsensorelementchip mit einem Halbleitersubstrat (116), einer Anzahl von auf dem Halbleitersubstrat geformten Signalladungs-Spei cherdioden (121), einer Anzahl von den Speicher dioden benachbart auf dem Halbleitersubstrat aus gebildeten Signalladungs-Ausleseteilen (114), einer Anzahl von den Signalladungs-Ausleseteilen benach bart auf dem Halbleitersubstrat geformten Signalla dungs-Übertragungsteilen (116), einer Anzahl von elektrisch mit den Signalladungs-Speicherdioden ge koppelten Pixelelektroden (127) und einer Anzahl von Vorspannungsladungs-Injizier/Ableitmitteln (118, 122) zum Injizieren und Entladen bzw. Ablei ten von Vorspannungsladungen in die bzw. aus den Si gnalladungs-Speicherdioden über die Signalladungs- Ausleseteile,
einen auf dem Festkörper-Bildsensorelementchip abgelagerten photoleitenden Film bzw. Photoleiter film (128),
eine auf dem Photoleiterfilm erzeugte transpa rente Elektrode (129) und
eine Einrichtung zum Ändern einer an die trans parente Elektrode anzulegenden Spannung nach Maß gabe der Injektion und Ableitung der Vorspannungs ladungen.

14. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die Spannungsänderungseinrichtung Mittel zum Ändern der an die transparente Elektrode (129) anzulegenden Spannung von einer während einer Signalladungs-Speicherperiode erreichten Spannung, um die Vorspannungsladungen von den Signalladungs- Speicher dioden in den Photoleiterfilm (128) zu in jizieren, und zum Zurückführen der an die transpa rente Elektrode (129) angelegten Spannung auf die während der Signalladungs-Speicherperiode erreichte Spannung, um eine Überschußmenge der im Photolei terfilm (128) gespeicherten Vorspannungsladungen zu den Signalladungs-Speicherdioden abzuleiten, auf weist.

15. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ladungs-Injizier/Ableitmittel den Signal(ladungs)-Speicherdioden (10) benachbart angeordnet sind und jeweils ein Paar aus einem Gat ter (gate) (40) und einer Diode (50) zum Injizie ren der Vorspannungsladungen in die Speicherdioden und ein Paar aus einem Gatter (240) und einer Diode (50) zum Ableiten der in die Speicherdioden inji zierten Vorspannungsladungen zu den Ladungsausle seteilen aufweisen.

16. Festkörper-Bildsensor, gekennzeichnet durch
ein Halbleitersubstrat (81),
eine Anzahl von auf dem Halbleitersubstrat aus gebildeten Arrays von Signalladungs-Speicherdioden (10),
eine Anzahl von dem Array der Speicherdioden be nachbart auf dem Halbleitersubstrat vorgesehenen Si gnalladungs-Ausleseteilen (30),
eine Anzahl von den Signalladungs-Ausleseteilen benachbart auf dem Halbleitersubstrat (81) vorge sehenen Signalladungs-Übertragungsteilen (21, 23),
eine Anzahl von den Signalladungs-Speicherdioden be nachbart angeordneten Ladungsinjiziergattern (40) und -dioden (50) zum Injizieren von Vorspannungs ladungen in die Speicherdioden und
eine Anzahl von den Ladungsausleseteilchen be nachbart angeordneten Vorspannungsladungs-Ableit gattern (240) und -dioden (50) zum Entladen bzw. Ableiten der in die Speicherdioden injizierten Vorspannungsladungen über die Ladungsausleseteile.

17. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder der Signalladungs-Auslese teile (30) und jeder der Signalübertragungsteile jeweils eine Ausleseelektrode und eine Übertragungs elektrode, die materialeinheitlich geformt sind, aufweist.

18. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, daß die Vorspannungsladungs-Ableit gatter (240) und -dioden (50) den Signalladungs-Über tragungsteilen benachbart auf einer den Spei cherdioden (10) gegenüberliegenden Seite vorgesehen sind.

19. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, daß die Signalladungs-Speicherdioden (10) in einer Matrixform angeordnet sind, die Si gnalladungs-Übertragungsteile (21, 23) eine Anzahl von in einer Reihe oder Zeile längs der Anordnung der Speicherdioden angeordneten Signalladungs-Über tragungsarrays umfassen, die Vorspannungsladungs-In jiziergatter (40) und -dioden (50) in Zuordnung zu den Signalladungs-Speicherdioden vorgesehen sind und nachdem die Signalladungen aus den Signalla dungs-Speicherdioden ausgelesen sind, die Vorspan nungsladungen in alle Signalladungs-Speicherdioden für jede (bzw. in jeder) zweite(n) Reihe der Signal ladungs-Speicherdioden injiziert werden.