DE3941944A1

DE3941944A1 - Ladungsgekoppelte vorrichtung zum verschieben von ladungen bzw. monolithischer bildwandler aus ladungsgekoppelten bausteinen und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE3941944A1
Application number: DE3941944A
Authority: DE
Inventors: Mikihiro Kimura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-12-19
Filing date: 1989-12-19
Publication date: 1990-06-21
Anticipated expiration: 2009-12-20
Also published as: US5086010A; US5029321A; JP2517375B2; DE3941944C2; JPH02164072A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung einer höchstintegrierten Struktur einer ladungsgekoppelten Vorrich tung und eine Verbesserung einer höchstintegrierten Struktur eines monolithischen Bildwandlers mit ladungsgekoppelten Bau steinen. Die vorliegende Erfindung betrifft desweiteren ein Verfahren zur Herstellung des monolithischen Bildwandlers.

Monolithische Bildwandler werden in TV-Kameras, Video-Kameras und dgl. verwendet, wo zur Aufnahme von optischen Bildern diese Bilder in elektrische Signale gewandelt werden. Eine Ladungs übertragungsvorrichtung wird in einem Apparat zur Übertragung der umgewandelten elektrischen Signale im Rahmen einer vorgege benen Operation verwendet.

Eine Ladungsübertragungsvorrichtung überträgt bzw. verschiebt auf einer Oberfläche eines Halbleiters oder darin gespeicherte Ladungen sukzessive in vorgegebener Richtung entlang der Ober fläche. Die Ladungsübertragungsvorrichtungen werden bei monoli thischen Bildwandlern, Speichern und dgl. verwendet. Es gibt zwei Arten von Ladungsübertragungsvorrichtungen mit unter schiedlichen Typen von Übertragungselektroden. Ein Typ der La dungsübertragungsvorrichtungen weist ein sich kontinuierlich in Richtung der Ladungsübertragung bzw. Ladungsverschiebung er streckendes unitäres Übertragungsgate auf. Diese Ladungsüber tragungsvorrichtung ist beispielsweise aus der US-Patentschrift Nr. 47 60 273 bekannt. Eine andere Art von Ladungsübertragungs vorrichtung weist eine Mehrzahl von Übertragungselektroden auf. Diese Übertragungselektroden sind in Richtung der Ladungsver schiebung angeordnet. Diese Ladungsübertragungsvorrichtung wird ladungsgekoppelter Baustein (Charge Coupled Device = CCD) ge nannt. Die vorliegende Erfindung betrifft einen solchen CCD. Wenn eine Mehrzahl von MOS-Kondensatoren nahe beieinander an geordnet sind, so daß sich die Verarmungsbereiche gegenseitig überlappen und Potentialsenken miteinander gekoppelt sind, wer den von außen eingebrachte Ladungen als Ladungspakete von Stel len mit höherem Potential zu Stellen mit niedrigerem Potential verschoben. Der CCD nutzt die zuvor beschriebene Erscheinung. Genauer gesagt werden dann, wenn eine Taktspannung an Gate- Elektroden einer Anzahl von ladungsgekoppelten MOS-Kondensato ren angelegt wird, Ladungspakete nacheinander entlang eines auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats ausgebildeten Kana les verschoben.

Es ist ein flach ausgebildeter CCD bekannt, bei dem MOS-Konden satoren auf einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats entlang der Verschiebungsrichtung angeordnet sind. Diese Kondensatoren bilden einen Ladungsübertragungsbereich. Nun sind in einem in einem monolithischen Bildwandler verwendeten CCD ein photoemp findlicher Bereich und der Ladungsübertragungsbereich des CCD zweidimensional auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats an geordnet. Bei einem solchen monolithischen Bildwandler muß der Integrationsgrad und das Öffnungsverhältnis erhöht sein, damit die Auflösung und die Empfindlichkeit erhöht sind. Unter dem Öffnungsverhältnis versteht man die Proportion des die Oberflä che des Substrats einnehmenden photoempfindlichen Bereichs. Un ter dem Integrationsgrad versteht man die Anzahl der Bauele mente, die in einer Flächeneinheit enthalten sind. Wenn jedoch der Integrationsgrad zunimmt, dann wächst auch die Proportion des von dem CCD eingenommenen Bereichs auf der Oberfläche des Substrats. Das Öffnungsverhältnis ist dabei verringert. Folg lich ist die Empfindlichkeit verringert, wodurch eine Verbesse rung der Auflösung verhindert ist.

Im Lichte der voranstehenden Erläuterungen ist ein CCD mit ei ner Struktur zum Erlangen eines höheren Integrationsgrades vor geschlagen worden. Ein solcher CCD ist beispielsweise aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2 90 175/1987 bekannt. Fig. 12 zeigt in einer geschnittenen Darstellung, perspektivisch, die Struktur eines CCD, wie er in der in Rede stehenden japani schen Offenlegungsschrift offenbart ist. Fig. 13 zeigt eine Draufsicht auf diese Struktur. Eine Mehrzahl von Rinnen 2 b, 2 c, 2 d, 2 e erstrecken sich parallel zueinander und sind auf einer Hauptfläche eines p-Siliziumsubstrats ausgebildet. Ein Isolier film 3 aus Siliziumoxid ist über der Oberfläche des p-Silizium substrats 1 und über den Innenflächen der Rinnen 2 b bis 2 e aus gebildet. Elektroden 4 b, 4 c, 4 d, 4 e erstrecken sich entlang den Rinnen 2 a bis 2 e und sind in diesen ausgebildet. Kanalbereiche 5 der n-dotierten Bereiche sind in Kontakt mit den Innenflächen der Rinnen 2 b bis 2 e in dem p-Siliziumsubstrat 1 ausgebildet. Jeder der Kanalbereiche 5 ist in vier Bereiche I bis IV unter teilt. Die Bereiche I und II sind einer Elektrode 4 a gegenüber liegend angeordnet, wobei dazwischen ein Isolierfilm 3 vorge sehen ist. Der Bereich I ist ein n⁻-Bereich und der Bereich II ein n-Bereich. Die Bereiche III und IV sind einer Elektrode 4 b gegenüberliegend angeordnet, wobei ein Isolierfilm 3 dazwischen angeordnet ist. Der Bereich III ist ein n⁻-Bereich und der Be reich IV ist ein n-Bereich. Ein Teil des Bereichs II weist Kon takt mit einem Teil des Bereichs III auf. Die Elektroden 4 a, 4 c und 4 e sind mit einer Taktquelle Φ 1 verbunden und die Elektro den 4 b und 4 d mit einer Taktquelle Φ 2. Die Taktspannungen haben unterschiedliche Phasen und resultieren aus den Taktquellen Φ 1, Φ 2. Im Betrieb werden die in den Kanalbereichen 5 gespeicherten Ladungen nacheinander in Richtung des Pfeiles 6 entsprechend der Höhe der durch die von den Taktquellen Φ 1, Φ 2 aufgebrachten Hochspannung VH und Niederspannung VL verursachten Potential senken verschoben.

Gemäß voranstehender Beschreibung wird im Stand der Technik auf einer Hauptfläche eines Substrats eine Rinne ausgebildet. Über tragungselektroden werden in der Rinne ausgebildet und an den Seitenwänden der Rinne wird zur Schaffung der Feinstruktur des CCD ein Kanalbereich gebildet. Die Feinstruktur wird durch Ver ringerung der durch den auf der Hauptfläche des Siliziumsub strats ausgebildeten Ladungsübertragungsbereich eingenommenen horizontalen Fläche verwirklicht.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 14 und 15 wird nachfolgend ein Beispiel aus dem Stand der Technik beschrieben. Dort ist bei einem monolithischen Bildwandler mit CCDs der Integrationsgrad zur Verbesserung der Auflösung erhöht. Diese Ausführungsform ist beispielsweise aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 51 254/1987 bekannt. Gemäß den Darstellungen in den Fig. 14 und 15 weist der monolithische Bildwandler auf einer Oberfläche ei nes Siliziumsubstrats eine Anordnung photoempfindlichen Berei che 8 und vertikaler Ladungsübertragungsbereiche 9 auf. Jeder der photoempfindlichen Bereiche 8 weist einen auf dem n-Silizi umsubstrat 7 ausgebildeten p-Senkenbereich 10 und einen auf der Oberfläche des Bereichs 10 ausgebildeten, mit n-Fremdatomen do tierten Bereich 11 auf, wodurch eine pn-Verbindung geschaffen ist. Durch in den photoelektrischen Bereich 8 eingefallendes Licht verursachte photoelektrische Ladungen werden in dem pn- Verbindungsbereich gespeichert. Eine Mehrzahl von Elektroden ist in der Nähe des photoempfindlichen Bereichs 8 in Spalten richtung gemäß Fig. 14 angeordnet. Dadurch sind CCDs der verti kalen Ladungsübertragungsbereiche 9 geschaffen. Die Elektroden 4 sind nach unten gerichtet über Leitungen 12 miteinander ver bunden. Die Elektrode 4 ist in einer auf der Hauptfläche des Siliziumsubstrats 7 vorgesehenen Rinne 2 ausgebildet, wobei da zwischen ein Isolierfilm angeordnet ist. Eine Mehrzahl von Elektroden fluchten in Spaltenrichtung. Endbereiche alternie render Elektroden überlappen obere Bereiche der anderen Elek troden. Jede zweite Elektrode 4 weist Gate-Elektrodenbereiche 13 zur Übertragung der in den photoempfindlichen Bereichen 8 gespeicherten Ladungen in die n-Kanalbereiche 5 der CCDs auf. In der Innenfläche der Rinne 2 ist ein den n-Kanalbereich bil dender, mit n-Fremdatomen dotierter Bereich ausgebildet.

Gemäß voranstehender Beschreibung weist der bekannte monolithi sche Bildwandler eine Mehrzahl in einer Matrix angeordneter photoempfindlicher Bereiche 8 und CCDs (vertikale Ladungsüber tragungsbereiche 9) zur Übertragung der in den photoempfindli chen Bereichen 8 entstandenen Ladungen in vertikaler Richtung auf. Jeder der CCDs ist mit jedem der photoempfindlichen Berei chen 8 verbunden. Die CCDs fluchten wechselweise mit den Lei tungen der Mehrzahl von in Spaltenrichtung ausgebildeten photo empfindlichen Bereichen 8. Durch Schaffung der Elektrode 4 und des n-Kanalbereichs 5 zur Ladungsübertragung des CCD in der Rinne 2 ist die von dem vertikalen Ladungsübertragungsbereich 9 eingenommene horizontale Fläche verringert. Dabei ist das Öff nungsverhältnis des photoempfindlichen Bereichs 8 verbessert.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des bekannten monolithi schen Bildwandlers beschrieben. Das Licht trifft auf den photo empfindlichen Bereich 8 und erregt photoelektrische Ladungen in diesem Bereich. Die photoelektrischen Ladungen werden in dem pn-Verbindungsbereich gespeichert. Wenn an die den Gate-Elek trodenbereich 13 aufweisende Elektrode 4 ein positiver Puls an gelegt wird, wird auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats un terhalb des Gate-Elektrodenbereichs 13 ein in den Fig. nicht gezeigter n-Kanal gebildet, so daß die im photoempfindlichen Bereich gespeicherten Ladungen in den n-Kanalbereich 5 des CCD übertragen bzw. verschoben werden. Danach wird an die Mehrzahl von Elektroden 4 ein Steuer-Taktsignal angelegt, wodurch die in den n-Kanalbereichen 5 der CCD gespeicherten Ladungen in verti kaler Richtung (Spaltenrichtung) durch den n-Kanalbereich 5 verschoben werden. Wenn alle Ladungen eines Bildpunktes in ver tikaler Richtung verschoben sind, werden die Ladungen eines Bildpunktes an den in den Fig. nicht gezeigten, zur horizonta len Verschiebung bestimmten CCD auf den Endbereichen des CCD zur vertikalen Übertragung verschoben. Danach werden die Ladun gen in horizontaler Richtung (Reihenrichtung) verschoben. So bald die an den CCD zur horizontalen Übertragung verschobenen Ladungen in horizontaler Richtung zum Output übertragen sind, wird das Steuer-Taktsignal wieder an die Mehrzahl von Elektro den 4 angelegt. Daher werden die Ladungen in vertikaler Rich tung um einen Bildpunkt verschoben. Die Ladungen eines Bild punktes am Endbereich des CCD zur vertikalen Übertragung werden an den CCD zur horizontalen Übertragung verschoben. Die Ladun gen werden dann in horizontaler Richtung durch den CCD für ho rizontale Übertragung verschoben, damit sie als Output ausgege ben werden können. Durch Wiederholen der zuvor beschriebenen Operation werden Ausgangssignale erzeugt, die dem auf photoemp findliche Bereiche fallenden Licht entsprechen.

Gemäß voranstehender Beschreibung sind bei herkömmlichen CCDs oder bei monolithischen Bildwandlern mit CCDs Rinnen in der Oberfläche eines Siliziumsubstrats ausgebildet. Die CCDs sind wiederum zur Schaffung höchstintegrierter Strukturen oder fei ner Strukturen und zur Verringerung der horizontal benötigten Fläche in den Rinnen ausgebildet. Jedoch handelt es sich bei diesen Strukturen lediglich um teilweise Modifikationen der herkömmlichen ebenen Struktur, die in der Rinne des Halbleiter substrats ausgebildet ist. Bei dem zuvor beschriebenen monoli thischen Bildwandler ist daher die horizontale Anordnung der photoempfindlichen Bereiche und der Ladungsübertragungsbereiche die gleiche wie bei herkömmlichen ebenen Strukturen. Daher sind auch die Verringerung der von den Ladungsübertragungsbereichen auf der Oberfläche des Substrats eingenommenen horizontalen Fläche und die Verbesserung des Integrationsgrades begrenzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen monolithischen Bildwandler mit ladungsgekoppelten Bau steinen (CCDs) zu schaffen, bei dem die von den CCDs auf dem Halbleitersubstrat eingenommene Fläche verringert ist. Das Öff nungsverhältnis des monolithischen Bildwandlers soll dabei ver bessert werden. Desweiteren soll die Struktur des Bildwandlers miniaturisiert werden. Schließlich soll ein Verfahren zur Her stellung eines solchen monolithischen Bildwandlers mit feiner Struktur angegeben werden.

Voranstehende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die ladungsge koppelte Vorrichtung bzw. der ladungsgekoppelte Baustein auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Das Halbleitersub strat - eines ersten Leitungstyps - weist eine Hauptfläche und eine auf der Hauptfläche ausgebildete, sich in Ladungsübertra gungsrichtung erstreckende Rinne auf. Die Rinne weist einander mit Abstand gegenüberliegende Seitenflächen und eine die Sei tenflächen verbindende Bodenfläche auf. Desweiteren sind mit Fremdatomen dotierte Bereiche eines zweiten Leitungstyps vorge sehen, wobei die dotierten Bereiche unabhängig voneinander auf jeder der Seitenflächen der Rinne ausgebildet sind. Eine Mehr zahl von ersten Übertragungselektroden ist auf einer Oberfläche des auf einer der Seitenflächen der Rinne angeordneten und mit Fremdatomen dotierten Bereichs ausgebildet, wobei die Übertra gungselektroden zur Übertragung der in dem mit Fremdatomen do tierten Bereich gespeicherten Ladung in eine vorgegebene Rich tung in Ladungsübertragungsrichtung angeordnet sind und wobei zwischen den Übertragungselektroden ein Isolierfilm angeordnet ist. Desweiteren ist eine Mehrzahl von zweiten Übertragungs elektroden auf einer Oberfläche des auf der anderen Seitenflä che der Rinne angeordneten und mit Fremdatomen dotierten Be reichs ausgebildet, wobei die Übertragungselektroden zur Über tragung der in dem mit Fremdatomen dotierten Bereich gespei cherten Ladung in eine vorgegebene Richtung in der Ladungsüber tragungsrichtung angeordnet sind und wobei zwischen den Über tragungselektroden ein Isolierfilm angeordnet ist. Auf einem Bodenbereich der Rinne sind Mittel zur elektrischen Isolation und zur gegenseitigen Isolierung der auf beiden Seitenflächen der Rinne ausgebildeten, mit Fremdatomen dotierten Bereichen ausgebildet.

Auf beiden Seitenflächen einer in der Oberfläche eines Halblei tersubstrats ausgebildeten Rinne sind zwei voneinander unabhän gige ladungsgekoppelte Vorrichtungen vorgesehen. Im Vergleich mit einer herkömmlichen Vorrichtung, bei der in einer Rinne le diglich eine Ladungsübertragungsvorrichtung vorgesehen ist, ist erfindungsgemäß der Integrationsgrad der Vorrichtung erhöht worden.

Die zuvor genannte Aufgabe wird desweiteren dadurch gelöst, daß bei einem monolithischen Bildwandler zum Wandeln von einfallen dem Licht in Signalladungen und zur Ausgabe der Signalladungen an eine vorgegebene Position folgende Bauelemente vorgesehen sind: Ein Halbleitersubstrat mit einer Hauptfläche und einer Mehrzahl auf der Hauptfläche parallel zueinander ausgebildeter Rinnen, wobei jede Rinne einander mit Abstand gegenüberliegende Seitenflächen und eine die Seitenflächen verbindende Bodenflä che aufweist; eine Mehrzahl von Reihen mit ersten photoelektri schen Wandlerelementen, die in an eine Seitenfläche der Rinnen angrenzenden Bereichen der Hauptfläche des Halbleitersubstrats angeordnet sind, wobei die photoelektrischen Wandlerelemente zur Generierung von dem einfallenden Licht entsprechenden Si gnalladungen entlang den Rinnen angeordnet sind; eine Mehrzahl von Reihen mit zweiten photoelektrischen Wandlerelementen, die in an der anderen Seitenfläche der Rinnen angrenzenden Berei chen der Hauptfläche des Halbleitersubstrats angeordnet sind, wobei die photoelektrischen Wandlerelemente zur Generierung von dem einfallenden Licht entsprechenden Signalladungen entlang den Rinnen angeordnet sind; eine Mehrzahl von Übertragungsgates zur Entnahme der in den die Reihen aus ersten und zweiten pho toelektrischen Wandlerelementen bildenden photoelektrischen Wandlerelementen generierten Signalladungen; ein auf einem Sei tenbereich jeder Rinne ausgebildeter erster ladungsgekoppelter Baustein mit einer Mehrzahl von Übertragungselektroden zum Übertragen der aus den photoelektrischen Wandlerelementen der Reihen aus ersten photoelektrischen Wandlerelementen durch die Wirkung der Übertragungsgates entnommenen Signalladungen auf einen vorgegebenen Bereich; ein auf dem anderen Seitenbereich jeder Rinne ausgebildeter zweiter ladungsgekoppelter Baustein mit einer Mehrzahl von Übertragungselektroden zum Übertragen der aus den photoelektrischen Wandlerelementen der Reihen aus zweiten photoelektrischen Wandlerelementen durch die Wirkung der Übertragungsgates entnommenen Signalladungen auf einen vor gegebenen Bereich; und auf dem Bodenbereich jeder Rinne ausge bildete Mittel zur elektrischen Isolation und zur gegenseitigen Isolierung der auf dem einen Seitenbereich jeder Rinne ausge bildeten ersten ladungsgekoppelten Bausteine von den auf dem anderen Seitenbereich jeder Rinne ausgebildeten zweiten la dungsgekoppelten Bausteine.

Dank der zuvor beschriebenen Struktur läßt sich die Anzahl der auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildeten Rinnen gemeinsam mit der Anzahl der dazugehörenden photoempfindlichen Bereiche verringern, wobei der Integrationsgrad erhöht, das Öffnungsverhältnis des photoempfindlichen Bereichs und die Auf lösung des monolithischen Bildwandlers verbessert werden kann.

Die zuvor genannte Aufgabe wird bzgl. des Verfahrens zur Her stellung eines monolithischen Bildwandlers mit ladungsgekoppel ten Bausteinen durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

a. selektives Ausbilden eines Isolierfilms zur Isolation von Bauelementen auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats eines ersten Leitungstyps;
b. Ausbilden eines ersten mit Fremdatomen dotierten Be reichs eines zweiten Leitungstyps auf der Oberfläche des Halb leitersubstrats;
c. Ausbilden einer Rinne in einem vorgegebenen Bereich der Oberfläche des Halbleitersubstrats;
d. Ausbilden von zweiten mit Fremdatomen dotierten Berei chen des zweiten Leitungstyps auf beiden Seitenflächen der Rinne;
e. Ausbilden eines dritten mit Fremdatomen dotierten Be reichs des ersten Leitungstyps mit einer höheren Fremdatomkon zentration zwischen der Hauptfläche des Halbleitersubstrats und dem zweiten mit Fremdatomen dotierten Bereich;
f. Ausbilden eines ersten Isolierfilms auf der Hauptflä che des Halbleitersubstrats und in der Rinne;
g. Ausbilden einer polykristallinen Siliziumschicht auf der Oberfläche des ersten Isolierfilms und Formen der Silizium schicht in eine vorgegebene Form;
h. Ausbilden eines zweiten Isolierfilms auf dem ersten Isolierfilm und auf der Oberfläche der polykristallinen Silizi umschicht;
i. Anbringen einer Widerstandsschicht auf der Oberfläche der polykristallinen Siliziumschicht und Formen der Wider standsschicht derart, daß die Oberfläche des in der Rinne aus gebildeten zweiten Isolierfilms freiliegt;
j. anisotropes Ätzen des zweiten Isolierfilms unter Ver wendung der Widerstandsschicht als Maske, damit die Oberfläche der auf der Bodenfläche der Rinne ausgebildeten polykristalli nen Siliziumschicht freiliegt; und
k. Ätzen der polykristallinen Siliziumschicht unter Ver wendung der Widerstandsschicht und des zweiten Isolierfilms als Masken.

Erfindungsgemäß lassen sich innerhalb einer Rinne zwei elek trisch und gegeneinander isolierte Ladungsübertragungsvorrich tungen herstellen.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorlie genden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und wei terzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprü che, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung von Ausfüh rungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung zu verwei sen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung, geschnitten, die Struktur einer erfindungsgemäßen Ladungsüber tragungsvorrichtung,

Fig. 2 in einem schematischen Diagramm die Wirkungsweise der in Fig. 1 gezeigten Ladungsübertragungsvorrichtung,

Fig. 3 in einer Draufsicht, schematisch, die horizontale Struktur eines erfindungsgemäßen monolithischen Bildwandlers,

Fig. 4 in einer perspektivischen Darstellung den Gegenstand aus Fig. 3 im Schnitt entlang der Linie IV-IV,

Fig. 4A bis 4H in geschnittenen Darstellungen einzelne Fertigungs stufen des Gegenstandes aus Fig. 4,

Fig. 5A bis 5C im Querschnitt, schematisch, den Gegenstand aus den Fig. 3 und 4, wobei die Wirkungsweise hervorgeht,

Fig. 6 im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen monolithischen Bildwandlers,

Fig. 7A bis 7H in geschnittenen Darstellungen einzelne Fertigungs stufen des Gegenstandes aus Fig. 6,

Fig. 8 in einer geschnittenen Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mono lithischen Bildwandlers,

Fig. 9 in einer geschnittenen Darstellung ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mono lithischen Bildwandlers,

Fig. 10 in einer geschnittenen Darstellung ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mono lithischen Bildwandlers,

Fig. 11A bis 11F in geschnittenen Darstellungen ein weiteres Verfahren zur Herstellung des Gegenstandes aus Fig. 4,

Fig. 12 in einer perspektivischen Darstellung, geschnitten, eine herkömmliche ladungsgekoppelte Ladungsüber tragungsvorrichtung,

Fig. 13 in einer Draufsicht eine horizontale Struktur des Gegenstandes aus Fig. 12,

Fig. 14 in einer Draufsicht eine horizontale Struktur eines herkömmlichen monolithischen Bildwandlers und

Fig. 15 den Gegenstand aus Fig. 14 im Schnitt entlang der Linie I-I.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Be zugnahme auf die Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung, geschnit ten, die Struktur eines ersten Ausführungsbeispiels einer er findungsgemäßen Ladungsübertragungsvorrichtung. Danach weist ein p-Siliziumsubstrat 1 eine in vertikaler Richtung der Haupt fläche des Halbleitersubstrats 1 ausgebildete Rinne 2 auf. Die mit vertikalen Seitenwänden ausgebildete Rinne 2 erstreckt sich der Länge nach in Richtung der Hauptfläche. Mit n⁻-Fremdatomen dotierte Bereiche 14, 14 sind auf beiden Seitenflächen der Rinne 2 ausgebildet. Auf einem Bodenbereich der Rinne 2 ist zwischen den einander gegenüberliegenden, mit n⁻-Fremdatomen dotierten Bereichen 14, 14 ein Oxidfilm 15 zur Isolierung vor gesehen. Der Oxidfilm 15 ist nach der LOCOS (Local Oxidation of Silicon) Methode erzeugt worden. Unterhalb des Oxidfilms 15 ist zur Isolierung ein Kanalunterbrecher 17 vorgesehen. Der Kanal unterbrecher 17 dient zur Vermeidung eines Mischens von durch zwei n-Kanalbereiche 14, 14 verursachten Signalladungen, wobei die n-Kanalbereiche 14, 14 am Bodenbereich der Rinne 2 mitein ander in Kontakt stehen.

Als mit p⁺-Fremdatomen dotierte Bereiche ausgebildete Kanalun terbrechungsschichten 16 mit einer Fremdatomkonzentration, die über der des p-Siliziumsubstrats 1 liegt, sind auf den oberen Bereichen der mit n⁻-Fremdatomen dotierten Bereichen 14, 14 ausgebildet. Die Kanalunterbrechungsschichten 16, 16 sind zur Verhinderung eines Festsetzens der Ladungspakete in den mit n⁻- Fremdatomen dotierten Bereichen 14 auf der Oberfläche des Sili ziumsubstrats 1 vorgesehen. Durch dieses Festsetzen würde sich die Übertragungsfähigkeit im Betrieb verringern. Durch die Vor kehrung der Kanalunterbrechungsschichten 16 ist ein sogenannter Erdkanal-CCD geschaffen.

Elektroden 4 aus Polysilizium sind auf den inneren Seitenflä chen der Rinne 2 und auf der Oberfläche des p-Siliziumsubstrats 1 ausgebildet. Eine Mehrzahl von Elektroden 4 a, 4 b sind entlang der Längsrichtung der Rinne 2 ausgebildet. Die Seitenbereiche jeder zweiten Elektrode 4 b liegen über denen der anderen Elek troden 4 a.

Gemäß voranstehender Beschreibung sind bei diesem Ausführungs beispiel eines CCD zwei durch einen auf dem Bodenbereich ausge bildeten Oxidfilm 15 elektrisch und voneinander isolierte La dungsübertragungsbereiche auf beiden Seitenflächen der Rinne 2 ausgebildet. Folglich ist die von den Ladungsübertragungsberei chen der Oberfläche des Siliziumsubstrats eingenommene Fläche erheblich verringert, wodurch ein höherer Integrationsgrad mög lich ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nachfolgend die Funktionsweise des erfindungsgemäßen CCD gemäß dem hier in Rede stehenden Aus führungsbeispiel erläutert. Fig. 2 zeigt schematisch die Struk tur des CCD aus Fig. 1. Die einander überlappenden Bereiche zwischen den Elektroden 4 a und 4 b der Fig. 1 sind in Fig. 2 weggelassen. Fig. 2 zeigt einen Betriebszustand eines Dreipha sen-CCD. Eine Mehrzahl von Elektroden 4 a, 4 b sind in Längsrich tung der Rinne 2 angeordnet. Eine Gruppe von drei Elektroden ist mittels Elektrodenverdrahtung mit einer dreiphasigen Takt spannungsquelle Φ 1, Φ 2, Φ 3 verbunden. Im Betrieb werden die die Übertragungsladung ausmachenden Elektronen durch irgendwelche Mittel in den Ladungsübertragungsbereich 14 verbracht. Es wird eine Taktspannung angelegt, so daß sich die Spannungen an den Elektroden 4 a, 4 b, 4 c wie folgt ergeben: Φ 1 < Φ 2 < Φ 3. An schließend sammeln sich die Elektronen in einem Bodenbereich einer in dem Siliziumsubstrat an einer der Φ 1 Elektrode mit dem geringsten Potential gegenüberliegenden Stelle aufgrund des Drifts und einer thermischen Diffusion. Danach wird an die Elektroden 4 a, 4 b, 4 c eine Taktspannung angelegt, so daß sich die Spannungen an den Elektroden wie folgt ergeben: Φ 3 < Φ 1 < Φ 2. Darauf wird das Potential in der in einem der Φ 2 Elektrode gegenüberliegenden Bereich des Siliziumsubstrats ausgebildeten Potentialsenke am geringsten. Die in dem der Φ 1 Elektrode ge genüberliegenden Bereich angesammelten Elektronen werden in den der Φ 3 Elektrode gegenüberliegenden Bereich des Siliziumsub strats übertragen. Danach wird an den Elektroden 4 a, 4 b, 4 c eine solche Taktspannung angelegt, daß sich Φ 2 < Φ 3 < Φ 1 er gibt. Anschließend werden die in dem der Φ 3 Elektrode gegen überliegenden Bereich des Siliziumsubstrats angesammelten Elek tronen an den Bodenbereich der Potentialsenke in einen der Φ 2 Elektrode gegenüberliegenden Bereich übertragen. Durch Wieder holen der zuvor beschriebenen Operation werden die Elektronen in dem Ladungsübertragungsbereich in die durch einen Pfeil in Fig. 2 markierte Richtung übertragen.

Nachfolgend wird ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen monolithischen Bildwandlers beschrieben. Fig. 3 zeigt in einer Draufsicht, schematisch, eine horizontale Struk tur eines monolithischen Bildwandlers. Dieser Bildwandler weist eine Mehrzahl von photoempfindlichen Bereichen 8 (Bildpunkte) zur Erzeugung eines Bildsignals auf. Desweiteren weist der Bildwandler vertikale Übertragungs-CCDs 18 zur Übertragung der durch die photoempfindlichen Berteiche 8 erhaltenen Bildsignale in vertikaler Richtung, ein vertikales Schieberegister 19 zur Erzeugung von Signalen zur Übertragung der Bildsignale mittels der vertikalen Übertragungs-CCDs 18 und horizontale Übertra gungs-CCDs 20 zur Übertragung der von den vertikalen Übertra gungs-CCDs 18 übertragenen Bildsignale in horizontaler Richtung auf. Die vertikalen Übertragungs-CCDs sind zwischen jeder zwei ten Reihe photoempfindlicher Bereiche 8 angeordnet. Bei dem herkömmlichen monolithischen Bildwandler sind Reihen photoemp findlicher Bereiche 8 und vertikale Übertragungs-CCDs abwech selnd angeordnet. Folglich kann mit der Struktur des ersten Ausführungsbeispiels die von den vertikalen Übertragungs-CCDs 18 eingenommene Fläche verringert werden, wodurch im Vergleich zu dem in Fig. 14 gezeigten Stand der Technik das Öffnungsver hältnis erhöht ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Öff nungsverhältnis von 75% erreicht worden.

Das Funktionsprinzip des ersten Ausführungsbeispiels des erfin dungsgemäßen monolithischen Bildwandlers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert. Zuerst werden Signalladungen in den photoempfindlichen Übertragungsbereichen 8 für eine vor gegebene Zeitdauer gespeichert. Danach wird an Φ _{V 1} und Φ _{V 2} des vertikalen Schieberegisters 19 eine Spannung angelegt, die hoch genug ist, um das Lesegate zu öffnen. Dabei passieren die in den photoelektrischen Übertragungsbereichen 8 gespeicherten Si gnalladungen gemeinsam das Lesegate und wandern in die vertika len Übertragungs-CCDs 18. Danach wird die an Φ _{V 1} und Φ _{V 2} des vertikalen Schieberegisters 19 anliegende Spannung verringert, damit das Lesegate geschlossen wird. Zur selben Zeit werden die vertikalen CCDs 18 durch Anlegen von Spannungen wechselweise an Φ _{V 1} und Φ _{V 2} betätigt, so daß die Signalladungen in Richtung des Pfeiles A verschoben werden. Eine Reihe von vertikalen CCDs kann gleichzeitig Signalladungen in den photoelektrischen Über tragungsbereichen 8, 8 an deren beiden Seiten verschieben. Die an den horizontalen Übertragungs-CCD 20 gelangten Signalladun gen werden durch die Taktoperation von Φ _{H 1} und Φ _{H 2} in Richtung des Pfeils B verschoben. Signalladungen jedes Bildpunktes wer den durch die Übertragungsoperation extrahiert. Durch Wiederho len der zuvor beschriebenen Operationen können jegliche Bild wechsel aufgenommen werden.

Fig. 4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung den Gegen stand aus Fig. 3 im Schnitt entlang der Linie IV-IV. Dabei wird eine schematische Struktur des vertikalen Übertragungs-CCD 18 gezeigt. Das Charakteristikum des vertikalen Übertragungs-CCD im Hinblik auf die erfindungsgemäße Lehre liegt in der Tatsa che, daß auf beiden Seitenflächen einer in einem Halbleitersub strat ausgebildeten Rinne zwei voneinander unabhängige verti kale Übertragungs-CCDs 18, 18 ausgebildet sind. Genauer gesagt sind gemäß den Darstellungen in den Fig. 3 und 4 die Rinnen parallel zueinander angeordnet und erstrecken sich in Spalten richtung auf der Oberfläche eines p-Siliziumsubstrats 1. Mit n⁻ -Fremdatomen dotierte Bereiche 14, 14 dienen als Kanalbereiche und sind auf beiden Seitenflächen der Rinne 2 ausgebildet. Mit n-Fremdatomen dotierte Bereiche 11 sind auf der Oberfläche des p-Siliziumsubstrats 1 ausgebildet, wobei diese Bereiche 11 die photoempfindlichen Bereiche 8 bilden. Die photoempfindlichen Bereiche 8 sind durch einen Oxidfilm 21 elektrisch und gegen seitig isoliert. Ein Oxidfilm 15 zur Isolation ist auf einem Bodenbereich der Rinne 2 zur elektrischen Isolierung und zur gegenseitigen Isolation der mit n⁻-Fremdatomen dotierten Berei che 14, 14 vorgesehen. Als mit p⁺-Fremdatomen dotierte Bereiche ausgeführte Kanalunterbrechungsschichten 16, 16 mit einer hö heren Fremdatomkonzentration sind zwischen dem oberen Bereich der mit n⁻-Fremdatomen dotierten Bereiche 14, 14 und der Ober fläche des p-Siliziumsubstrats 1 ausgebildet. Um die mit n⁻- Fremdatomen dotierten Bereiche 14, 14 herum ist eine Potential barriere 22 ausgebildet. Die Potentialbarriere 22 ist als mit p⁺-Fremdatomen dotierter Bereich mit höherer Fremdatomkonzen tration ausgeführt. Auf der inneren Oberfläche der Rinne 2 und auf der Oberfläche des p-Siliziumsubstrats 1 sind Elektroden 4 a, 4 b aus Silizium vorgesehen. Zwischen den Elektroden 4 a, 4 b ist ein Isolierfilm angeordnet. Eine Mehrzahl von Elektroden 4 a, 4 b sind in Längsrichtung der Rinne 2 entsprechend zu den photoempfindlichen Bereichen 8 angeordnet. Ein Bereich jeder der Gate-Elektroden 4 a, 4 b weist eine Gate-Elektrode 13 eines Übertragungsgates zum Lesen von Signalladungen aus den photo empfindlichen Bereichen 8 auf.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4A bis 4H wird das Verfahren zur Herstellung des in Fig. 4 gezeigten monolithischen Bildwandlers nachfolgend beschrieben.

Gemäß Fig. 4A wird auf einem vorgegebenen Bereich einer Ober fläche eines p-Siliziumsubstrats 1 ein Kanalunterbrecher 32 ausgebildet, der als mit p-Fremdatomen dotierter Bereich mit höherer Fremdatomkonzentration als das Substrat ausgeführt ist. Desweiteren wird auf dem Kanalunterbrecher 32 ein Oxidfilm 15 zur Isolierung von Bauelementen nach dem LOCOS-Verfahren ausge bildet. Danach werden n-Fremdatome 24 a in die Oberfläche des p- Siliziumsubstrats 1 ionenimplantiert, wodurch Bereiche 11 mit n-Fremdatomen gebildet werden, die als photoempfindliche Berei che 8 dienen.

Fig. 4B zeigt, daß der zur Isolierung dienende Oxidfilm 15 auf der Oberfläche des p-Siliziumsubstrats 1 durch Ätzen teilweise entfern worden ist. Danach wird unter Verwendung eines Wider standsmusters 40 als Maske eine Rinne 2 durch Ätzen in einem Bereich, wo der Oxidfilm 15 entfernt worden ist, gebildet. Da bei verbleibt der Kanalunterbrecher 32 auf dem oberen Bereich der Rinne 2, wobei der verbleibende Kanalunterbrecher 32 eine als Oberfläche ausgeführte Kanalunterbrechungsschicht 16 des CCD bildet.

Gemäß Fig. 4C werden p-Fremdatomionen 25 in beide Seitenflächen der Rinne 2 durch schräges Ionenimplantieren injiziert. Dabei werden Potentialbarrieren 22 als mit p⁺-Fremdatomen dotierte Bereiche mit höherer Fremdatomkonzentration gebildet.

Nach Fig. 4D wird auf der Oberfläche des p-Siliziumsubstrats 1 und in der Rinne 2 ein Siliziumnitridfilm 41 gebildet. Der Si liziumnitridfilm wird derart geformt, daß die Oberfläche des p- Siliziumsubstrats 1 lediglich in der Rinne 2 freiliegt.

Fig. 4E zeigt, daß die am Boden der Rinne 2 freigelegte Ober fläche des p-Siliziumsubstrats 1 durch thermische Oxidation teilweise oxidiert wird, wobei dazu der Siliziumnitridfilm 41 als Maske benutzt wird. Bei diesem Verfahrensschritt wird der Oxidfilm 15 zur Isolation auf dem Boden der Rinne gebildet. Das Verfahren zur Bildung des Oxidfilms zur Isolation am Boden der Rinne ist detailliert in USSN 0 41 672 beschrieben.

Nach Fig. 4F wird anschließend der Siliziumnitridfilm 41 ent fernt. Danach werden wiederum durch schräges Ionenimplantieren n-Fremdatomionen 24 in beide Seitenflächen der Rinne 2 implan tiert. Durch diese Ionenimplantation werden die den n-Kanal bildenden, mit n⁻-Fremdatomen dotierten Bereiche 14, 14 ge formt.

Fig. 4G zeigt, daß auf der Oberfläche des p-Siliziumsubstrats 1 ein Gate-Oxidfilm 3 ausgebildet wird.

Nach Fig. 4H wird auf der Oberfläche des Gate-Oxidfilms 3 eine polykristalline Siliziumschicht ausgebildet. Die polykristal line Siliziumschicht wird in eine vorgegebene Form verbracht. Dabei werden die Ladungsübertragungselektroden 4 a, 4 b gebildet. Anschließend wird die Oberfläche des p-Siliziumsubstrats 1 mit einem Isolierfilm bedeckt.

Die Methode des schrägen Ionenätzens der Seitenwandungen der Rinnen gemäß dem voranstehend beschriebenen Fertigungsverfahren ist beispielsweise detailliert in "Depth Profiles of Boron Atoms with Large Tilt-Angle Implantations; G. Fuse et al., J.E.S: Solid-State Science and Technology", 1986 Band 133, Nr. 5, Seite 996 beschrieben. Genauer gesagt lassen sich die Frem datomionen in die gesamte Oberfläche der Seitenwandungen der Rinne 2 durch Neigen des Einfallswinkels der Fremdatomionen ät zen.

Die Funktion des erfindungsgemäßen monolithischen Bildwandlers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 5A bis 5C be schrieben. Die Darstellungen in diesen Fig. illustrieren die Potentialwechsel und Änderungen in den Ladungssignalen in dem photoempfindlichen Bereich, dem Lese-Gate-Bereich und dem La dungsübertragungsbereich. Fig. 5A zeigt zunächst, daß in dem photoempfindlichen Bereich 8 Signalladungen entsprechend dem einfallenden Licht gespeichert werden. Zu diesem Zeitpunkt ist das Lese-Gate geschlossen.

Gemäß Fig. 5B wird nachdem die Ladungen für eine bestimmte Zeit im photoempfindlichen Bereich 8 gespeichert waren, das Lese- Gate geöffnet. Gleichzeitig werden die in dem photoempfindli chen Bereich 8 gespeicherten Signalladungen in den Ladungsüber tragungsbereich hineingelesen.

Gemäß Fig. 5C ist das Lese-Gate wieder geschlossen und die Si gnalladungen werden mittels eines vertikalen Übertragungs-CCDs, das den Ladungsübertragungsbereich bildet, in eine vorgegebene Richtung übertragen.

Durch Wiederholen der zuvor beschriebenen Operation lassen sich Signalladungen der Bildpunktreihe auf beiden Seiten gleichzei tig durch zwei in einer Rinne ausgebildete Ladungsübertragungs mittel lesen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird nachfolgend ein weiteres Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dieses zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zuvor be schriebenen monolithischen Bildwandler dadurch, daß die auf dem Bodenbereich der Rinne 2 ausgebildeten Mittel zur elektrischen Isolation und gegenseitigen Isolierung einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen. Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind die auf den Innenflächen der Rinne 2 ausgebildeten Elektroden 4 am Bo denbereich der Rinne 2 voneinander isoliert. Zwischen den Elek troden 4 ist ein Isolierfilm vorgesehen. Das auf einer Seiten fläche der Rinne 2 ausgebildete vertikale Übertragungs-CCD 18 ist elektrisch isoliert und von einem an einer weiteren Seiten fläche der Rinne ausgebildeten vertikalen Übertragungs-CCD 18 isoliert.

Durch die zuvor beschriebene Struktur kann das eine vertikale Übertragungs-CCD 18 unabhängig von dem anderen vertikalen Über tragungs-CCD 18 arbeiten. Solche CCDs, die voneinander unabhän gige Operationen ausführen können, können wirkungsvoll in einem CCD-Speicher oder dgl. verwendet werden.

Die Fig. 7A bis 7H zeigen in geschnittenen Darstellungen die einzelnen Fertigungsstufen des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bildwandlers. Das Verfahren zur Herstellung des in Fig. 6 gezeigten monolithischen Bildwandlers wird nach folgend unter Bezugnahme auf die Fig. 7A bis 7H erläutert.

Gemäß Fig. 7A wird auf einem vorgegebenen Bereich einer Ober fläche eines p-Siliziumsubstrats 1 durch das LOCOS-Verfahren oder dgl. ein Oxidfilm zur Isolierung von Bauelementen ausgebildet. Anschließend wird ein mit n-Fremdatomen dotierter Bereich, der als photoempfindlicher Bereich 8 dienen wird, durch Implantation von n-Fremdatomen in die Oberfläche des p- Siliziumsubstrats 1 gebildet.

Danach wird gemäß der Darstellung in Fig. 7 in einem vorgege benen Bereich der Oberfläche des p-Siliziumsubstrats 1 eine Rinne 2 ausgebildet. Dazu werden Widerstandsmuster 33 als Mas ken verwendet. Die Breite der Rinne 2 beträgt beispielsweise 1 µm.

Anschließend werden gemäß Fig. 7C beide Seitenflächen der Rinne 2 durch schräges Ioneniplantieren mit Fremdatomionen 24 do tiert. Dazu werden die Widerstandsmuster 33 als Masken verwen det. Es bilden sich mit n⁻-Fremdatomen dotierte Bereiche 14, 14, die als n-Kanalbereiche des CCD dienen werden. Die Tiefe der mit n⁻-Fremdatomen dotierten Bereiche 14, 14 zum Bodenbe reich hin läßt sich durch Einstellen des Neigungswinkels der auftreffenden Fremdatomionen steuern.

Im nächsten Schritt werden gemäß der Darstellung in Fig. 7D in der Nähe der Zwischenbereiche der oberen Bereiche der Rinne 2 und der Oberfläche des p-Siliziumsubstrats 1 durch Ionenimplan tation von beispielsweise Bor (B) 25 mit p-Fremdatomen dotierte Bereiche 16 ausgebildet. Dies geschieht durch schräges Ionenim plantieren, wobei an der Oberfläche Kanalunterbrechungsschich ten 16 gebildet werden, die als mit p⁺-Fremdatomen dotierte Be reiche mit höherer Fremdatomkonzentration dienen.

Der Auftreffwinkel der Borionen 25 beim Ionenimplantieren wird derart vorgegeben, daß das Maß des Eintretens der Borionen 25 durch den Rand der Rinne 2 reguliert wird. Daher wird die Ka nalunterbrechungsschicht 16 nur im oberen Bereich der Rinne 2 ausgebildet.

Gemäß der Darstellung in Fig. 7E wird auf der Oberfläche des p- Siliziumsubstrats 1 und auf der Innefläche der Rinne 2 durch thermisches Oxidieren ein Isolierfilm 3, z.B. ein Siliziumoxid film, ausgebildet. Danach wird auf der Oberfläche des Isolier films 3 eine Polysiliziumschicht erzeugt. Die Polysilizium schicht wird in eine vorgegebene Form verbracht und bildet dann n-Elektroden 4.

Anschließend wird auf dem Substrat der Elektrode 4 und auf der Oberfläche des Isolierfilms 3 ein Siliziumoxidfilm 27 ausgebil det.

Gemäß der Darstellung in Fig. 7F wird auf der Oberfläche des Siliziumoxidfilms 27 eine Widerstandsschicht 28 aufgebracht. Die Widerstandsschicht 28 wird geformt, damit lediglich die Oberfläche des Siliziumoxidfilms 27 in der Rinne 2 freiliegt.

Fig. 7D zeigt, daß oberhalb des Bodenbereichs der Rinne 2 ein Bereich des Siliziumoxidfilms 27 durch anisotropes Ätzen ent fernt wird. Dazu wird die geformte Widerstandsschicht als Maske benutzt. Dabei wird die auf der Bodenfläche der Rinne 2 ange ordnete Oberfläche freigelegt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 7H wird die Elektrode 4 unter Verwendung der Widerstandsschicht 28 und des Siliziumoxidfilms 27 als Masken durch anisotropes Ätzen geätzt. Dabei wird ein auf der Bodenfläche der Rinne 2 ausgebildeter Bereich der Elek trode 4 entfernt. Die auf der einen Seite der Rinne 2 befindli che Elektrode 4 wird von der auf der anderen Seite der Rinne 2 befindliche Elektrode 4 isoliert.

Anschließend wird die Widerstandsschicht 28 entfernt. Somit ist der Hauptbereich des monolithischen Bildwandlers mit einer Struktur gemäß der Darstellung in Fig. 6 geschaffen.

Die in den Fig. 7A bis 7D gezeigten Verfahrensschritte finden auch Anwendung bei der Herstellung des zuvor beschriebenen er sten Ausführungsbeispiels sowie bei der Herstellung später be schriebener weiterer Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen monolithischen Bildwandlern.

Nachfolgend wird ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen monolithischen Bildwandlers beschrieben. Fig. 8 zeigt im Querschnitt einen monolithischen Bildwandler entspre chend der Darstellung in Fig. 4. Das dritte Ausführungsbeispiel weist auf dem Bodenbereich der Rinne 2 eine unterschiedliche Isolier- und Isolationsstruktur auf. Dort ist nämlich im Boden bereich der Rinne 2 eine SOG-(Spin-on-Glass) Schicht 29 ausge bildet, die die auf beiden Seitenflächen der Rinne 2 ausgebil deten, mit n⁻-Fremdatomen dotierten Bereiche 14, 14 isoliert. Da die SOG-Schicht 29 eine geringe Viskosität aufweist, läßt sie sich leicht in den Bodenbereich einer feinen Rinne 2 ein bringen.

Fig. 9 zeigt in einer geschnittenen Darstellung ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen monolithischen Bildwandlers, bei dem sich lediglich die am Bodenbereich der Rinne 2 ausgebildete Isolierstruktur von der in Fig. 8 darge stellten unterscheidet. Im vierten Ausführungsbeispiel ist auf dem Bodenbereich der Rinne 2 eine Polysiliziumschicht 30 ausge bildet, die sich in einem erdfreien Zustand befindet. Durch diese Schicht kann die Anordnung eines Kanals zwischen den mit n⁻-Fremdatomen dotierten Bereichen 14, 14 verhindert werden, so daß diese Bereiche 14, 14 elektrisch und untereinander isoliert sind.

Fig. 10 zeigt im Schnitt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen monolithischen Bildwandlers. Bei diesem Aus führungsbeispiel ist in dem p-Siliziumsubstrat 1 ein p-Senken bereich 38 ausgebildet, der als mit p⁺-Fremdatomen mit höherer Fremdatomkonzentration ausgeführt ist. Der CCD ist in dem p- Senkenbereich 31 ausgebildet und hat die gleiche Funktion wie die Potentialbarriere in der in Fig. 4 gezeigten Struktur. Wenn nämlich der pn-Verbindungsbereich des photoempfindlichen Be reichs 8 von den gespeicherten photoelektrischen Ladungen ge flutet wird, verhindert der p-Senkenbereich 31, daß die photo elektrischen Ladungen direkt in die mit n⁻-Fremdatomen dotier ten Bereiche 14 des CCD eindringen. Die den p-Senkenbereich aufweisende Struktur kann in den Bauelemente isolierenden Strukturen aus den Fig. 6, 8 und 9 verwendet werden.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 11A bis 11F ein weiterer Aspekt der Erfindung erläutert, nämlich ein von dem in den Fig. 7A bis 7D illustrierten Herstellverfahren unterschied liches Herstellverfahren.

Gemäß Fig. 11A wird auf einem vorgegebenen Bereich einer Ober fläche des p-Siliziumsubstrats 1 ein Kanalunterbrecher vorgese hen, der als mit p-Fremdatomen dotierter Bereich mit einer hö heren Fremdatomkonzentration als das Substrat ausgeführt ist. Auf dem Kanalunterbrecher 32 wird nach der LOCOS-Methode ein Oxidfilm 15 zur Isolierung von Bauelementen ausgebildet. An schließend werden n-Fremdatome 24 a in die Oberfläche des p-Si liziumsubstrats 1 implantiert, wodurch als photoempfindliche Bereiche 8 dienende Bereiche 11 mit p-Fremdatomen gebildet wer den.

Anschließend wird gemäß Fig. 11B lediglich ein Teil des in ei nem Bereich auf der Oberfläche des p-Siliziumsubstrats 1 ausge bildeten Oxidfilms 15, in dem die Rinne auszubilden ist, durch Ätzen teilweise entfernt. Anschließend wird durch Ätzen an der Stelle, wo der zur Isolierung dienende Oxidfilm 15 entfernt ist, eine Rinne 2 ausgebildet. Dabei werden die Kanalunterbre cher 32 auf dem oberen Bereich der Rinne 2 belassen, wodurch die an der Oberfläche ausgebildeten Kanalunterbrechungsschich ten 16 des CCD gebildet werden.

Gemäß der Darstellung in Fig. 11C werden in beide Seitenflächen der Rinne 2 p-Fremdatomione durch schräges Ionenätzen implan tiert, wodurch eine Potentialbarriere 22 mit p⁺-Fremdatomen mit höherer Fremdatomkonzentration gebildet werden.

Gemäß der Darstellung in Fig. 11D werden auf beiden Seitenflä chen der Rinne 2 durch schräges Ionenätzen n-Fremdatomionen 24 eingebracht, wodurch mit n⁻-Fremdatomen dotierte Bereiche 14, 14 gebildet werden, die als n-Kanäle dienen.

Anschließend wird entsprechen der Darstellung in Fig. 11E auf der Oberfläche des p-Siliziumsubstrats und auf der Innenfläche der Rinne 2 ein Isolierfilm 3 ausgebildet.

Danach erfolgen die gleichen Fertigungsschritte entsprechend den Darstellungen in den Fig. 7E bis 7H, wodurch der in Fig. 11F gezeigte monolithische Bildwandler geschaffen wird.

Bei dem Herstellverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen monolithischen Bildwandlers werden die Kanalunterbrechungsschichten 16 des CCD im gleichen Fertigungs schritt erzeugt, wie die Bauelemente isolierende Struktur zum Isolieren des photoempfindlichen Bereichs 8 unter Verwendung der unterhalb des zur Isolation dienenden Oxidfilms 15 ausge bildeten Kanalunterbrechers 32. Dadurch lassen sich die Kanal unterbrechungsschichten 16 einfach herstellen.

Im Rahmen der Beschreibungen des zweiten bis sechsten Ausfüh rungsbeispiels sind verschiedene Modifikationen des in Fig. 4 gezeigten monolithischen Bildwandlers vorgeschlagen worden. Ge nauer gesagt handelt es sich bei der in Fig. 4 gezeigten Struk tur um eine Grundstruktur. Eine erste Gruppe von Ausführungs beispielen weist am Bodenbereich der Rinne 2 eine Struktur zum Isolieren von Bauelementen auf. Dazu gehören die Struktur zur Isolation der Elektroden 4 gemäß Fig. 6, die in Fig. 8 gezeigte Isolierstruktur unter Verwendung der SOG-Schicht 29 und die Isolierstruktur mit der Polysiliziumschicht 30 gemäß Fig. 9. Eine zweite Gruppe von Ausführungsbeispielen weist eine Struk tur zur Verhinderung von Kriechverlusten bzgl. der Signalladun gen auf dem Weg von den photoempfindlichen Bereichen 8 zu den Kanalbereichen 14, 14 auf. Dazu gehören die Potentialbarriere 22 gemäß Fig. 4 und die Struktur der p-Senkenbereiche 31 gemäß Fig. 10. Eine dritte Gruppe von Ausführungsbeispielen bezieht sich auf das Verfahren zur Herstellung des monolithischen Bild wandlers. Dazu gehören das Verfahren zum Ausbilden der Rinne 2 und der n-Kanalbereiche 14, 14 gemäß Fig. 7A bis 7D und die ähnlichen Fertigungsschritte gemäß den Fig. 11A bis 11F. Die drei Gruppen von Ausführungsbeispielen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.

Die am Bodenbereich der Rinne 2 ausgebildeten Mittel zur elek trischen und gegenseitigen Isolierung lassen sich auch bei dem in Fig. 1 dargestellten CCD einsetzen.

Gemäß voranstehender Beschreibung sind bei der erfindungsgemä ßen ladungsgekoppelten Vorrichtung auf beiden Seitenflächen ei ner auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildeten Rinne unabhängige Ladungsübertragungsvorrichtungen ausgebildet, die elektrisch und gegeneinander an den Bodenbereichen der Rinne isoliert sind. Dadurch läßt sich die belegte Fläche der Oberfläche des Halbleitersubstrats verringern und der Integra tionsgrad kann erhöht werden. Darüberhinaus können bei dem sol che ladungsgekoppelten Vorrichtungen verwendenden monolithi schen Bildwandler an jeder zweiten Reihe von photoempfindlichen Bereichen vertikale Ladungsübertragungsbereiche angeordnet wer den, wobei die von den Ladungsübertragungsbereichen eingenom mene Oberfläche verringert, das Öffnungsverhältnis verbessert und die Empfindlichkeit des monolithischen Bildwandlers verbes sert werden kann.

Darüberhinaus lassen sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Fer tigungsverfahrens auf den Seitenwandungen einer sehr kleinen Rinne leicht Ladungsübertragungsbereiche ausbilden, die vonein ander unabhängig sind, da sie am Bodenbereich der Rinne elek trisch und voneinander isoliert sind.

Die voranstehend genannte Aufgabe, die erfindungsgemäßen Merk male und die zuvor beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Lehre sind unter Hinzuziehen der Figuren besser zu verstehen.

Claims

1. Ladungsgekoppelte Vorrichtung zum Verschieben von Ladungen in eine vorgegebene Richtung durch Anlegen einer Spannung an einen Ladungen speichernden Bereich, gekennzeichnet durch
ein Halbleitersubstrat (1) eines ersten Leitungstyps mit einer Hauptfläche und einer auf der Hauptfläche ausgebildeten, sich in Ladungsübertragungsrichtung erstreckenden Rinne (2), wobei die Rinne (2) einander mit Abstand gegenüberliegende Sei tenflächen und eine die Seitenflächen verbindende Bodenfläche aufweist;
mit Fremdatomen dotierte Bereiche (14, 14) eines zweiten Leitungstyps, wobei die dotierten Bereiche (14, 14) unabhängig voneinander auf jeder der Seitenflächen der Rinne ausgebildet sind;
eine Mehrzahl von auf einer Oberfläche des auf einer der Seitenflächen der Rinne angeordneten und mit Fremdatomen do tierten Bereichs ausgebildeten ersten Übertragungselektroden (4 a, 4 b), wobei die Übertragungselektroden (4 a, 4 b) zur Über tragung der in dem mit Fremdatomen dotierten Bereich gespei cherten Ladung in eine vorgegebene Richtung in Ladungsübertra gungsrichtung angeordnet sind und wobei zwischen den Übertra gungselektroden (4 a, 4 b) ein Isolierfilm 3 angeordnet ist;
eine Mehrzahl von auf einer Oberfläche des auf der ande ren Seitenfläche der Rinne angeordneten und mit Fremdatomen do tierten Bereichs ausgebildeten zweiten Übertragungselektroden (4 a, 4 b), wobei die Übertragungselektroden (4 a, 4 b) zur Über tragung der in dem mit Fremdatomen dotierten Bereich gespei cherten Ladung in eine vorgegebene Richtung in der Ladungsüber tragungsrichtung angeordnet sind und wobei zwischen den Über tragungselektroden (4 a, 4 b) ein Isolierfilm 3 angeordnet ist;
und
auf einem Bodenbereich der Rinne ausgebildete Mittel (15, 29, 39) zur elektrischen Isolation und zur gegenseitigen Iso lierung der auf beiden Seitenflächen der Rinne ausgebildeten, mit Fremdatomen dotierten Bereichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gegennzeichnet, daß zwischen der Hauptfläche des Halbleitersubstrats (1) und dem mit Fremdatomen dotierten Bereich (14) des zweiten Leitungstyps ein mit Fremdatomen dotierter Bereich (16) des ersten Leitungs typs ausgebildet ist und daß die Fremdatomkonzentration des Be reichs (16) über der des Halbleitersubstrats (1) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß eine der ersten Elektroden (4 a, 4 b) mit einer der zweiten Elektroden (4 a, 4 b) am Bodenbereich der Rinne (2) ver bunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur elektrischen Isolation und gegenseitigen Isolie rung einen auf dem Bodenbereich der Rinne (2) ausgebildeten Isolierfilm (15) aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur elektrischen Isolation und gegenseitigen Isolie rung einen auf dem Bodenbereich der Rinne (2) ausgebildeten SOG-Film (29) aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur elektrischen Isolation und gegenseitigen Isolie rung eine auf dem Bodenbereich der Rinne (2) ausgebildete Poly siliziumschicht (30) aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Übertragungselektroden (4 a, 4 b) und die zweiten Übertragungselektroden (4 a, 4 b) am Bodenbereich der Rinne (2) voneinander isoliert sind und daß die die Elektroden isolie rende Struktur die Mittel zur elektrischen Isolation und gegen seitigen Isolierung bilden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der in der vorgegebenen Richtung angeordneten ersten und zweiten Übertragungselektroden (4 a, 4 b) einen Endbereich auf weist, der einen Endbereich einer anderen der Elektroden Über lappt.

9. Monolithischer Bildwandler zum Wandeln von einfallendem Licht in Signalladungen und zur Ausgabe der Signalladungen an eine vorgegebene Position, gekennzeichnet durch
ein Halbleitersubstrat (1) mit einer Hauptfläche und ei ner Mehrzahl auf der Hauptfläche parallel zueinander ausgebil deter Rinnen (2), wobei jede Rinne (2) einander mit Abstand ge genüberliegende Seitenflächen und eine die Seitenflächen ver bindende Bodenfläche aufweist;
eine Mehrzahl von Reihen mit ersten photoelektrischen Wandlerelementen (8), die in an eine Seitenfläche der Rinnen (2) angrenzenden Bereichen der Hauptfläche des Halbleitersub strats (1) angeordnet sind, wobei die photoelektrischen Wand lerelemente (8) zur Generierung von dem einfallenden Licht ent sprechenden Signalladungen entlang den Rinnen (2) angeordnet sind;
eine Mehrzahl von Reihen mit zweiten photoelektrischen Wandlerelementen (8), die in an der anderen Seitenfläche der Rinnen (2) angrenzenden Bereichen der Hauptfläche des Halblei tersubstrats (1) angeordnet sind, wobei die photoelektrischen Wandlerelemente (8) zur Generierung von dem einfallenden Licht entsprechenden Signalladungen entlang den Rinnen (2) angeordnet sind;
eine Mehrzahl von Übertragungsgates (13) zur Entnahme der in den die Reihen aus ersten und zweiten photoelektrischen Wandlerelementen bildenden photoelektrischen Wandlerelementen (8) generierten Signalladungen;
ein auf einem Seitenbereich jeder Rinne (2) ausgebildeter erster ladungsgekoppelter Baustein mit einer Mehrzahl von Über tragungselektroden (4 a, 4 b) zum Übertragen der aus den photo elektrischen Wandlerelementen (8) der Reihen aus ersten photo elektrischen Wandlerelementen durch die Wirkung der Übertra gungsgates (13) entnommenen Signalladungen auf einen vorgegebe nen Bereich;
ein auf dem anderen Seitenbereich jeder Rinne (2) ausge bildeter zweiter ladungsgekoppelter Baustein mit einer Mehrzahl von Übertragungselektroden (4 a, 4 b) zum Übertragen der aus den photoelektrischen Wandlerelementen (8) der Reihen aus zweiten photoelektrischen Wandlerelementen durch die Wirkung der Über tragungsgates (13) entnommenen Signalladungen auf einen vorge gebenen Bereich; und
auf dem Bodenbereich jeder Rinne (2) ausgebildete Mittel zur elektrischen Isolation und zur gegenseitigen Isolierung der auf dem einen Seitenbereich jeder Rinne (2) ausgebildeten er sten ladungsgekoppelten Bausteine von den auf dem anderen Sei tenbereich jeder Rinne (2) ausgebildeten zweiten ladungsgekop pelten Bausteine.

10. Monolithischer Bildwandler nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittel zur elektrischen Isolation und ge genseitigen Isolierung einen auf dem Bodenbereich der Rinne (2) ausgebildeten Isolierfilm (15) aufweisen.

11. Monolithischer Bildwandler nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittel zur elektrischen Isolation und ge genseitigen Isolierung einen auf dem Bodenbereich der Rinne (2) ausgebildeten SOG-Film (29) aufweisen.

12. Monolithischer Bildwandler nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittel zur elektrischen Isolation und ge genseitigen Isolierung eine auf dem Bodenbereich der Rinne (2) ausgebildete Polysiliziumschicht (30) aufweisen.

13. Monolithischer Bildwandler nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die ersten Übertragungselektroden (4 a, 4 b) und die zweiten Übertragungselektroden (4 a, 4 b) am Bodenbereich der Rinne (2) voneinander isoliert sind und daß die die Elek troden isolierende Struktur die Mittel zur elektrischen Isola tion und gegenseitigen Isolierung bilden.

14. Monolithischer Bildwandler nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder der ladungsgekoppelten Bausteine einen auf einer Seitenfläche der Rinne ausgebildeten, mit Fremdatomen dotierten Bereich (14) des zweiten Leitungstyps und einen mit Fremdatomen dotierten Bereich (22) des ersten Leitungstyps auf weist und daß der Bereich (22) eine höhere Fremdatomkonzentra tion als das den Bereich (22) umgebende Halbleitersubstrat (1) aufweist.

15. Monolithischer Bildwandler nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) einen Senkenbe reich (31) des ersten Leitungstyps mit einer Fremdatomkonzen tration aufweist, die höher ist als die des auf der Hauptfläche ausgebildeten Halbleitersubstrats (1) und daß die photoelektri schen Wandlerelemente (8), die Übertragungsgates (13) und die ladungsgekoppelten Bausteine auf dem Senkenbereich (31) ausge bildet sind.

16. Monolithischer Bildwandler nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die jeweils benachbarten der Mehrzahl von Übertragungselektroden (4 a, 4 b) des in Richtung der Ladungs übertragung angeordneten ersten CCD (ladungsgekoppelter Bau stein) einander überlappende Endbereiche aufweisen, und daß die jeweils benachbarten der Mehrzahl von Übertragungselektroden (4 a, 4 b) des in Richtung der Ladungsübertragung angeordneten zweiten CCD (ladungsgekoppelter Baustein) Endbereiche aufwei sen, die einander überlappen.

17. Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Bildwand lers, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
selektives Ausbilden eines Isolierfilms zur Isolation von Bauelementen auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats eines ersten Leitungstyps;
Ausbilden eines ersten mit Fremdatomen dotierten Bereichs (11) eines zweiten Leitungstyps auf der Oberfläche des Halblei tersubstrats (1);
Ausbilden einer Rinne (12) in einem vorgegebenen Bereich der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1);
Ausbilden von zweiten mit Fremdatomen dotierten Bereichen (14, 14) des zweiten Leitungstyps auf beiden Seitenflächen der Rinne (2);
Ausbilden eines ersten Isolierfilms (3) auf der Hauptflä che des Halbleitersubstrats (1) und in der Rinne (2);
Ausbilden einer polykristallinen Siliziumschicht auf der Oberfläche des ersten Isolierfilms (3) und Formen der Silizium schicht in eine vorgegebene Form;
Ausbilden eines zweiten Isolierfilms (27) auf dem ersten Isolierfilm und auf der Oberfläche der polykristallinen Silizi umschicht;
Anbringen einer Widerstandsschicht (28) auf der Oberflä che der polykristallinen Siliziumschicht und Formen der Wider standsschicht derart, daß die Oberfläche des in der Rinne (2) ausgebildeten zweiten Isolierfilms freiliegt;
anisotropes Ätzen des zweiten Isolierfilms unter Verwen dung der Widerstandsschicht (28) als Maske, damit die Oberflä che der auf der Bodenfläche der Rinne (2) ausgebildeten poly kristallinen Siliziumschicht freiliegt; und
Ätzen der polykristallinen Siliziumschicht unter Verwen dung der Widerstandsschicht und des zweiten Isolierfilms als Masken.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ausbilden des zweiten mit Fremdatomen dotierten Be reichs in der Rinne zwischen den zweiten mit Fremdatomen do tierten Bereichen und der Hauptfläche des Halbleitersubstrats durch schräges Ionenätzen dritte mit Fremdatomen dotierte Be reiche (16) des ersten Leitungstyps mit hoher Fremdatomkonzen tration ausgebildet werden.

19. Verfahren zum Ausbilden einer Rinne in einem monolithi schen Bildwandler mit ladungsgekoppelten Bausteinen an den Sei tenwänden der Rinne, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte;
Ausbilden eines ersten mit Fremdatomen dotierten Bereichs (32) eines ersten Leitungstyps mit höherer Fremdatomkonzentra tion in einem vorgegebenen Bereich auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (1);
Ausbilden eines Isolierfilms (15) zum Isolieren von Bau elementen auf einer Oberfläche des ersten mit Fremdatomen do tierten Bereichs;
Dotieren von Fremdatomen (24 a) in die Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) zur Bildung eines zweiten mit Fremdato men dotierten Bereichs des zweiten Leitungstyps;
Entfernen des Isolierfilms zum Isolieren der Bauelemente in einem vorgegebenen Bereich; und
Ausbilden einer Rinne (2) in dem ersten mit Fremdatomen dotierten Bereich, von dem der Isolierfilm zum Isolieren der Bauelemente entfernt worden ist.