DE4123191C2 - Dreidimensionaler CCD-Bildwandler - Google Patents
Dreidimensionaler CCD-BildwandlerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen dreidimensionalen CCD-Bildwand
ler (CCD = Charge Coupled Device). Unter einem dreidimensio
nalen CCD-Bildwandler soll dabei ein Festkörperbauelement
verstanden werden, bei dem die Erzeugung der Ladungen für
die einzelnen Bildpunkte in einer anderen Ebene als der
Transport der Ladungen erfolgt. Ein derartiger Bildwandler
ist aus der US-PS 4 213 137 bekannt. Dreidimensionale
CCD-Bildwandler weisen gegenüber den üblichen, z. B. aus der
US-PS 4 935 794 bekannten, CCD-Bildwandlern, bei denen die
Bildladungserzeugung und der Ladungstransport in derselben
Ebene erfolgen, den Vorteil eines kleineren Flächenbedarfs
auf.
Aus der genannten US-PS 4 213 137 ist eine Anordnung von
Infrarotdetektoren mit dreidimensionaler Struktur zur Bild
detektion bekannt. Der Bilddetektor weist in Richtung des
einfallenden Lichtes auf: ein Halbleitersubstrat eines
ersten Leitungstyps mit ersten und zweiten angrenzenden epi
taktischen Schichten eines zweiten Leitungstyps, mindestens
einem Lichtempfangsbereich, der in dem Substrat ausgebildet
ist, eine Schicht eines zweiten Leitungstyps, der an der
Grenzfläche zwischen der ersten epitaktischen Schicht und
der zweiten epitaktischen Schicht angeordnet ist und das
Substrat gegen das CCD abschirmt, mehrere CCD-Bereiche zum
Sammeln und Übertragen von Signalleitungen, eine Isolator
schicht auf der zweiten epitaktischen Schicht und mehrere
Gateelektroden, die in einer Isolatorschicht zum Anlegen von
cyclischen Taktsignalen angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Aufbau
für einen dreidimensionalen CCD-Bildwandler zur Verfügung zu
stellen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
gelöst.
Bei der Lösung wird von einem SOI (Silizium-auf-Isolator)-Aufbau
Gebrauch gemacht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a eine Draufsicht auf eine Konstruktion einer erfin
dungsgemäßen Ausführungsform,
Fig. 1b eine Vergrößerung des Ausschnitts P in
Fig. 1a,
Fig. 1c einen Querschnitt längs der Linie A-A′ in Fig. 1b,
Fig. 1d einen Querschnitt längs der Linie B-B′ in Fig. 1b,
Fig. 1e einen Querschnitt längs der Linie C-C′ in Fig. 1b,
Fig. 1f einen Übergangsbereich zum HCCD,
Fig. 2a-2j Querschnitte, die die Aufeinanderfolge der ver
schiedenen Prozeßschritte bei der Herstellung einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellen,
Fig. 3a und 3b Querschnitte, die die Potentialprofile längs
der Linie D-D′ in Fig. 1c darstellen,
Fig. 4a und 4b Querschnitte, die die Potentialprofile längs
der Linie E-E′ in Fig. 1c darstellen.
Bei dem dreidimensionalen CCD-Bildwandler gemäß Fig. 1a sind
mehrere N-Typ-Photodioden PD als Lichtempfangsbereiche zu
erkennen, die auf der Oberfläche des Bauelements in einem
gewünschten Abstand voneinander ausgebildet sind. Außerdem
weist der Bildwandler einen N-Typ-HCCD
und mehrere N-Typ-VCCDs auf, die unter den N-Typ-Photodioden
PD ausgebildet sind (Darstellung an
schließend).
Die unterbrochenen Linien in vertikaler Richtung kennzeich
nen die Richtung, in der die Signalladungen des Lichtes, die von
den entsprechenden Spalten der N-Typ-Photodioden PD erzeugt
wurden, zu dem N-Typ-HCCD durch die N-Typ-VCCDs mittels der
Taktoperation übertragen werden. Eine unterbrochene Linie in
horizontaler Richtung kennzeichnet die Richtung in der die Sig
nalladungen, die von jedem der N-Typ-VCCDs kommen, zu einem
Leseverstärker SA über den N-Typ-HCCD durch die Taktopera
tion übertragen werden.
Außerdem ist ein P⁺-Typ-Kanalstopperbereich CST dargestellt.
Fig. 1b zeigt einen Lageplan des Ausschnitts P in Fig. 1a. Es
ist eine Anordnungsfolge abgebildet, wobei erste bis vierte
Gate-Polysiliziumschichten PG1-PG4 als Gateelektroden nach
einander in horizontaler Richtung mit einem gewünschten Ab
stand ausgebildet sind. Außerdem gibt es noch eine Anord
nungsfolge senkrecht unter den ersten bis vierten Polysili
ziumschichten PG1-PG4, in der die N-Typ-VCCDs in einem ge
wünschten Abstand ausgebildet sind. Zwischen jeder der
N-Typ-Photodioden PD und jedem der N-Typ-VCCD sind Signalla
dungsübertragungswege CTP und eine P⁺-Typ-Ladungsübertra
gungsbarriere (nicht dargestellt) im restlichen Teil ausge
bildet.
Die erste Gate-Polysiliziumschicht PG1 ist unter den N-Typ-Pho
todioden PD in jeder der ungeradzahligen horizontalen
Zeilen- die dritte Gate-Polysiliziumschicht PG3 ist unter
den N-Typ-Photodioden PD in jeder der geradzahligen horizon
talen Zeilen und die zweite Gate-Polysiliziumschicht PG2 so
wie die vierte Gate-Polysiliziumschicht PG4 sind unterhalb
und zwischen den N-Typ-Photodioden PD in jeder der ungerad
zahligen horizontalen Zeilen und der N-Typ-Photodioden PD in
jeder der geradzahligen horizontalen Zeilen ausgebildet. Da
bei bezeichnen die Bezugszeichen VΦ1-VΦ4 erste bis vierte
Taktsignale, die an die Gate-Polysiliziumschichten PG1-PG4
angelegt werden.
Fig. 1c zeigt ein Siliziumsubstrat Si und darauf eine Oxid
schicht OL1, um die SOI-Struktur zu bilden. Auf der Oxid
schicht OL1 sind aufeinanderfolgend die erste Gate-Polysili
ziumschicht PG1 zum Anlegen des ersten Taktsignals VΦ1 und
dann eine Gateoxidschicht OL2 ausgebildet. Auf der Gateoxid
schicht OL2 ist eine epitaktische P-Typ-Schicht P-EPi mit
einer vorbestimmten Dicke ausgebildet. Sowohl an den oberen
und unteren Oberflächen der epitaktischen P-Typ-Schicht
P-EPi sind einander gegenüberstehend die N-Typ-Photodioden,
angeordnet in der ungeradzahligen horizontalen Zeile, und
die N-Typ-VCCDs, angeordnet in ungeradzahligen und geradzah
ligen vertikalen Spalten, ausgebildet. Zwischen jeder der
N-Typ-Photodioden PD und jeder N-Typ-VCCDs sind Ladungsüber
tragungswege CTP, durch die die Signalladung des Lichtes ge
schickt wird, und im restlichen Teil die elektrisch mit
Masse verbundene P⁺-Typ-Ladungsübertragungsbarriere CTB aus
gebildet. Auf dem P⁺-Typ-Kanalstopperbereich CST ist eine
lichtundurchlässige Schicht LBL als Schutz gegen einfallendes
Licht ausgebildet.
Fig. 1d ist identisch mit Fig. 1c mit der Ausnahme, daß die
ersten bis vierten Gate-Polysiliziumschichten PG1-PG4 ge
zeigt werden, die unterhalb und senkrecht zu den N-Typ-VCCDs,
die in der ungeradzahligen vertikalen Spalte angeord
net sind, ausgebildet sind.
Fig. 1e ist identisch zu Fig. 1d, mit der Ausnahme, daß die
P⁺-Typ-Ladungsübertragungsbarriere CTB in allen Abschnitten
ohne Ladungsübertragungsweg CTP ausgebildet ist.
Gemäß Fig. 1f ist der N-Typ- HCCD am Endabschnitt der Anord
nung der N-Typ-Photodioden PD ausgebildet. Der N-Typ-HCCD
weist eine erste Polysiliziumschicht P1 und eine zweite Po
lysiliziumschicht P2 auf. Zum Zwecke der Signalladungsüber
tragung ist die erste Polysiliziumschicht P1 mit einem
N-Typ-Ion in höherer Konzentration dotiert als die zweite Po
lysiliziumschicht P2.
Natürlich können die Materialien dieser Schichten P1 und P2
aus Polysilizium derselben Zusammensetzung bestehen, wobei
an sie dieselben Taktsignale HΦ1 oder HΦ2 angelegt werden.
Als nächstes soll ein Herstellungsprozeß für den dreidimen
sionalen CCD-Bildwandler gemäß Fig. 1
mit Bezug auf die Fig. 2a bis 2j beschrieben
werden.
Zuerst wird die SOI-Struktur auf einem Siliziumsubstrat 1
durch Aufwachsen einer Oxidschicht 2 mit einer vorbestimmten
Dicke auf dem Siliziumsubstrat 1 ausgebildet, wie in Fig. 2a
dargestellt ist, und auf der Oxidschicht 2 werden dann meh
rere Gate-Polysiliziumschichten 3 zum Anlegen der Taktsig
nale an die N-Typ-VCCDs ausgebildet, wie in Fig. 2b gezeigt
wird.
Danach wird, nachdem eine dünne Gateoxidschicht 4 auf der
gesamten Oberfläche einschließlich der Gate-Polysilizium
schichten 3 ausgebildet wurde, wie in Fig. 2c dargestellt
ist, eine N⁺-Typ-Schicht 5 mit einer vorbestimmten
Dicke auf gewünschten Abschnitten der Gateoxidschicht 4
abgeschieden, wie in Fig. 2d dargestellt
ist.
Dann wird eine erste epitaktische P-Typ-Schicht 6 auf der
Oberfläche der Gateoxidschicht 4 und der. N⁺-Typ Schicht
5 aufgewachsen, wie Fig. 2e zeigt. Zu diesem Zeitpunkt
wird die N⁺-Typ-Schicht 5 diffundiert, so daß
N-Typ-VCCDs 7 ausgebildet werden.
Dann werden dünne P+-Typ-Schichten 8 durch Injizieren eines
P+-Typ Ions in die restlichen Abschnitte ausgebildet, mit
Ausnahme der zentralen Abschnitte oberhalb der N-Typ-VCCD 7
in der Oberfläche der ersten epitaktischen P-Typ-Schicht 6,
wie in Fig. 2f gezeigt wird.
Die linken zentralen Abschnitte oberhalb der N-Typ VCCD 7
werden später als Ladungsübertragungswege verwendet, während
die dünnen P⁺-Typ-Schichten 8 später als Ladungsübertra
gungsbarrieren verwendet werden.
Eine zweite epitaktische P-Typ-Schicht 6a, die dieselbe Zu
sammensetzung wie die erste epitaktische P-Typ-Schicht 6
aufweist, wird dann auf die Oberfläche der ersten epitakti
schen P-Typ-Schicht 6 und der dünnen P⁺-Typ-Schichten 8 auf
gewachsen, wie in Fig. 2g gezeigt wird. Daher werden die
dünnen P⁺-Typ Schichten 8 in der epitaktischen P-Typ-Schicht
vergraben.
Danach werden P⁺-Typ-Kanalstopperschichten 9 durch Injizie
ren eines P⁺-Typ-Ions in die restlichen Abschnitte, mit Aus
nahme der Teile oberhalb der N-Typ-VCCDs 7 in der Oberfläche
der zweiten epitaktischen P-Typ-Schicht 6a ausgebildet, wie
in Fig. 2h gezeigt wird.
Dann werden N-Typ-Photodioden 10 durch Injizieren eines
N-Typ Ions in Abschnitte oberhalb der N-Typ-VCCDs 7 in der
Oberfläche der zweiten epitaktischen P-Typ-Schicht 6a ausge
bildet, wie in Fig. 2i dargestellt ist.
Im Ergebnis sind auf der zweidimensionalen Oberfläche in
einem gewünschten Abstand nun mehrere N-Typ-Photodioden 10
zum Empfangen des Lichtes angeordnet, und die N-Typ-VCCDs 7
sind unter den N-Typ-Photodioden 10 entsprechend zu ihnen
angeordnet.
Am Schluß werden auf den P⁺-Typ-Kanalstopperschichten 9
dünne Metallschichten 11 als Lichtschutzschichten ausgebil
det, um den Einfall von Licht zu verhindern, wie in Fig. 2j
dargestellt ist.
Die Arbeitsweise des dreidimensionalen CCD-Bildwandlers mit
der oben erwähnten erfindungsgemäßen Konstruktion soll jetzt
mit bezug auf die Fig. 3a, 3b, 4a und 4b näher beschrie
ben werden.
Die Fig. 3a, 3b, 4a und 4b zeigen entsprechende Poten
tialprofile längs der Linien D-D′ und E-E′ in Fig. 1c.
Zuerst, nach Empfangen des einfallenden Lichtes, speichern
die N-Typ-Photodioden PD die Signalladungen, die dem Licht
entsprechen, an ihren Unterseiten, wie in den Fig. 3a und
4a gezeigt wird. Zu dieser Zeit sind die Potentialprofile
als hohe Barrieren definiert, die in den Ladungsübertra
gungswegen CTP der epitaktischen P-Typ-Schicht P-EPi ausge
bildet sind. Diese hohen Barrieren verursachen, daß Signal
ladungen an den unteren Seiten der N-Typ-Photodioden PD ge
speichert werden und nicht zu den N-Typ-VCCDs übertragen
werden.
Dann werden, da die ersten bis vierten VCCD-Taktsignale
VΦ1-VΦ4 der Steuerung an die Gate-Po
lysiliziumschichten PG1-PG4 in Fig. 1b angelegt werden, die
Potentiale der N-Typ-VCCDs beträchtlich durch das Ansteue
rungsspannungssignal V1, das in dem ersten VCCD-Taktsignal
VΦ1 in dem ungeradzahligen Feld enthalten ist, abgesenkt,
wie in Fig. 3b gezeigt wird. Aus diesem Grunde werden die
gespeicherten Signalladungen in den N-Typ-Photodioden PD,
die der ungeradzahligen horizontalen Zeile angeordnet sind,
zu den niedrigeren N-Typ VCCDs durch die Ladungsübertra
gungswege CTP übertragen.
Auch die Potentiale der N-Typ VCCDs werden beträchtlich
durch das Ansteuerungsspannungssignal V2, das in dem dritten
VCCD-Taktsignal VΦ3 in dem geradzahligen Feld enthalten ist,
beträchtlich abgesenkt, wie in Fig. 3b gezeigt wird. Daher
werden die gespeicherten Signalladungen in den N-Typ-Photo
dioden PD, die in der geradzahligen horizontalen Zeile ange
ordnet sind, zu den niedrigeren N-Typ-VCCDs durch die La
dungsübertragungswege CTP übertragen. Zu diesem Zeitpunkt
dienen die zweiten und vierten VCCD-Taktsignale VΦ2 und VΦ4,
die an die zweiten und vierten Gate-Polysiliziumschichten
PG2 und PG4, die unter und zwischen jeder der N-Typ-Photodi
oden PD in der ungeradzahligen horizontalen Zeile und jeder
der N-Typ Photodioden PD in der geradzahligen horizontalen
heile ausgebildet sind, angelegt werden, wie in Fig. 1f dar
gestellt ist, zum Übertragen der Signalladungen zu
dem N-Typ-HCCD, zusammen mit den ersten und dritten
VCCD-Taktsignalen VΦ1 und VΦ3.
die oben festgestellt wurde, bewirkt die Verwendung von
VCCD-Taktsignalen von vier Phasen, daß mehr Bildsignalladun
gen als bei VCCD-Taktsignalen von zwei Phasen übertragen
werden.
Daher werden durch die VCCD-Taktsignale VΦ1-VΦ4 der vier
Phasen die gespeicherten Bildsignalladungen in den N-Typ-Pho
todioden PD, die in der ungeradzahligen horizontalen
Zeile angeordnet sind, zuerst der Reihe nach
durch die N-Typ-VCCDs und dann durch den N-Typ-HCCD
abgetastet. Dann werden die gespeicherten Signalladungen in
den N-Typ-Photodioden PD, die in der geradzahligen horizon
talen Zeile angeordnet sind, aufeinanderfolgend
durch die N-Typ-VCCDs und dann durch den N-Typ
HCCD abgetastet.
Claims (2)
1. Dreidimensionaler CCD-Bildwandler mit:
- a) einem Siliziumsubstrat (Si);
- b) einer Oxidschicht (OL1), die auf dem Silizium substrat (Si) ausgebildet ist;
- c) mehreren Gatelektroden (PG) zum Anlegen von Takt signalen (VθV1. . .VθV4), die auf der Oxidschicht (OL1) ausgebildet sind;
- d) einer dünnen Gateoxidschicht (OL2), die auf der ver bleibenden Oberfläche der Oxidschicht (OL1) und den Gateelektroden (PG) ausgebildet ist;
- e) einer epitaktischen großenteils P-leitenden Schicht (P-Epi), die auf der Gateoxidschicht (OL2) ausgebil det ist;
- f) mehreren N-Typ-Lichtempfangsbereichen (PD), die an der oberen Oberfläche der epitaktischen Schicht (P-Epi) zum Empfangen des Lichtes ausgebildet sind;
- g) mehreren N-Typ-VCCD-Bereichen (VCCD), die an der unteren Oberfläche der epitaktischen Schicht (P-Epi) ausgebildet sind, um die Signalladungen des Lichtes, die von den gegenüberliegenden N-Typ-Lichtempfangs bereichen (PD) erzeugt werden, aufzunehmen;
- h) je einem in der epitaktischen Schicht ausgebildeten Ladungsübertragungsweg (CTP) zwischen jedem N-Typ-Licht empfangsbereich (PD) und dem zugehörigen N-Typ-VCCD-Bereich (VCCD);
- i) einer P⁺-Typ-Ladungsübertragungsbarriere (CTB), die in der epitaktischen Schicht ausgebildet ist und die Ladungsübertragungswege (CTP) umgibt;
- j) wobei die Gateelektroden (PG) in vier Gruppen von Gateelektroden (PG1. . .PG4) aufgeteilt sind, die erste Gruppe von Gatelektroden (PG1) unter den in einer ungeradzahligen horizontalen Zeile angeordne ten N-Typ-Lichtempfangsbereichen (PD) angeordnet ist, die dritte Gruppe von Gateelektroden (PG3) unter den in einer geradzahligen horizontalen Zeile angeordne ten N-Typ-Lichtempfangsbereichen (PD) angeordnet ist und die zweite und vierte Gruppe von Gatelelektroden (PG2, PG4) dazwischen angeordnet sind, um zusammen eine Vierphasentaktoperation auszuführen.
2. Dreidimensionaler CCD-Bildwandler nach Anspruch 1,
ferner mit:
- a) mehreren P⁺-Typ-Kanalstopperschichten (CST), die zwischen den mehreren N-Typ-Lichtempfangsbereichen (PD), die in einer zweidimensionalen Ebene angeordnet sind, ausgebildet sind; und
- b) mehreren Lichtschutzschichten (LBL), die auf der P⁺-Typ Kanalstopperschicht (CST) ausgebildet sind.
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