DE4329836A1 - Ladungsdetektoreinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladungsdetektoreinrichtung, die eine hohe Empfindlichkeit aufweist, und insbesondere auf einen CCD-Bildsen­ sor, der Mikrosignalladungen mit hoher Empfindlichkeit detektieren kann.

Es sind bereits verschiedene Ladungsdetektoreinrichtungen bekannt. Nachfolgend wird ein konventioneller Ladungsdetektor beschrieben, der sich in einem Festkörper- Bildsensor mit Ladungskopplungseigenschaf­ ten, also in einem CCD-Bildsensor, befindet.

Die Fig. 5 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Detektor mit schwimmender Oberfläche, wie er in "1989′s International Conference on Solid State Device and Materials (Extended Abstracts Seiten 355 bis 358)" durch Ohsawa, Toshiba Company, Japan, beschrieben ist. Der Detektor mit schwimmender Oberfläche enthält ein Substrat 1 vom n-Typ und eine Wannenschicht 2 vom p⁻-Typ auf der Oberfläche des Substrats 1. In der Oberfläche der Wannenschicht 2 vom p⁻-Typ befinden sich ein Sensorka­ nal 5, welcher durch einen Hochkonzentrationsbereich vom n-Typ gebildet ist, sowie ein Source-Bereich 20 und ein Drain-Bereich 21, die beide durch p⁺-Bereiche hergestellt sind. Der Sensor mit schwimmender Oberfläche weist ferner einen Gate-Oxid-Film 4 auf der gesamten freiliegenden Ober­ fläche der so erhaltenen Struktur auf, wobei auf dem Gate-Oxid-Film 4 und oberhalb des Sensorkanals 5 übereinanderliegend ein Floating-Gate 12, eine dicker ausgebildete Isolationsschicht 15 und ein Vorspann-Gate 14 angeordnet sind.

Der Sensorkanal 5 ist mit einer CCD verbunden, also mit einer ladungsge­ koppelten Einrichtung, die Signalladungen überträgt, und zwar in Rich­ tung senkrecht zu der Ebene von Fig. 5. Die Signalladungen gelangen in einen begrabenen Kanal, der nicht dargestellt ist. Nachdem die übertrage­ nen Signalladungen im Sensorkanal 5 gesammelt worden sind, wird die Potentialverteilung im Sensorkanal 5 verändert, so daß sich das Potential an der Grenzfläche zwischen dem Gate-Oxid-Film 4 und dem Sensorkanal 5 und das Potential des Floating-Gates 12 ändern. Durch diese Änderun­ gen wird ein Transistor aktiviert, der Löcher als Ladungsträger und darü­ ber hinaus die Grenzfläche zwischen dem Gate-Oxid-Film 4 und dem Sen­ sorkanal 5 als p-Typ Oberflächenkanal verwendet.

Dieser Transistor weist eine hohe Empfindlichkeit auf, da sowohl die Sen­ sorkapazität als auch die parasitären Kapazitäten sehr klein sind.

Der Sensorkanal ermöglicht auch die Signalübertragung im Zustand der vollständigen Verarmung, so daß sich alle Signalladungen übertragen las­ sen. Das 1/f Rauschen läßt sich daher weitestgehend unterdrücken.

Durch die Firma Toshiba wurde berichtet, daß eine hohe Empfindlichkeit von 76 µV/e⁻ kompatibel ist mit niedrigem Rauschen von nicht mehr als 64 µV·rms (Rauschäquivalentsignal - 1,2 Elektronen rms). Es besteht jedoch das Problem, daß der Source-Bereich und der Drain-Bereich des Transis­ tors dieselbe Leitfähigkeit aufweisen wie die p-Wanne, während die La­ dungsträger eine Polarität haben, die derjenigen der Signalladungen ent­ gegengesetzt ist.

Da die p-Wanne im allgemeinen geerdet ist, diffundieren Löcher, die in al­ len Bereichen der Wanne vorhanden sind, in den Source-Bereich oder den Drain-Bereich. Im Ergebnis tritt ein ungewünschtes kurzes bzw. stoßarti­ ges Rauschen durch Dunkelströme infolge der diffundierten Löcher auf.

Ist einfallendes Licht vorhanden, so ist die Anzahl der erzeugten Löcher gleich der Anzahl der Elektronen. Zwar ist jetzt für die Elektronen ein Drain-Überlauf vorhanden, jedoch gibt es keine Drain-Struktur, die für ei­ ne weitere Verarbeitung der Löcher Sorge trägt.

Im Randbereich gibt es Kontakte für die p-Wanne. Der Abstand zwischen diesen Kontakten und den Pixelbereichen (Bildpunktbereichen) ist jedoch sehr groß, so daß die Möglichkeit besteht, daß sich der Signalstrom er­ höht, und zwar infolge von durch Löcher erzeugten Leckströmen, die sich zeitweilig vergrößern, wenn Licht auf die Anordnung auftrifft.

Um hier Abhilfe zu schaffen, kann ein p⁺-Typ Substrat verwendet werden, um die vertikale Überlauf-Drainstruktur für Elektronen zu fixieren, oder es kann die Wanne des Ladungsdetektors unabhängig vom Pixelbereich bzw. Bildpunktbereich konstruiert werden. All dies ist jedoch recht schwierig zu realisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die o. g. Probleme zu überwin­ den und eine Ladungsdetektoreinrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, einen Ladungsbetrag von Elektronen zu detektieren, und zwar mit Hilfe ei­ nes Transistors, der Elektronen als Ladungsträger benutzt, um auf diese Weise kurzes bzw. stoßartig auftretendes Rauschen, das durch Dunkel­ ströme erzeugt wird, zu reduzieren, wodurch sich die Empfindlichkeit ver­ bessert.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs angegeben.

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird eine Ladungsdetektoreinrich­ tung vorgeschlagen, bei der ein n-Typ Kanaltransistor, der Elektronen als Ladungsträger verwendet, an einer Oberfläche eines Bereichs vorgesehen ist, an welchem ein p-Typ Kanaltransistor verwendet wird, wobei eine Schicht vom p-Typ an einer Oberfläche eines n-Typ Sensorkanals liegt und wobei ferner ein Oberflächenteil eines n⁺-Bereichs zwischen dem Sen­ sorkanal und einem Source-Bereich sowie zwischen dem Sensorkanal und einem Drain-Bereich einen oberflächeninvertierbaren Kanalisolationsbe­ reich bildet, der durch eine Wannenschicht vom p-Typ erhalten wird.

Wird auf der Oberfläche des Sensorkanals ein Bereich gebildet, dessen Leitfähigkeit entgegengesetzt zu derjenigen des Sensorkanals ist, so wird dadurch ein Oberflächenkanal für Elektronen unterhalb des Floating-Ga­ tes erhalten. Der Oberflächenkanal wird moduliert, und zwar in Überein­ stimmung mit dem Betrag der Ladungen, die zum Sensorkanal übertragen werden.

Da der oberflächeninvertierbare Kanalisolationsbereich sowohl zwischen dem Sensorkanal und dem Source-Bereich als auch zwischen dem Sensor­ kanal und dem Drain-Bereich vorhanden ist, wird eine Struktur erhalten, in der Strom vom Source-Bereich und vom Drain-Bereich zum Oberflä­ chenkanalbereich fließt, während kein Strom in Richtung des begrabenen Kanalbereichs fließt.

Da ein Transistor verwendet wird, in welchem die Ladungsträger dieselbe Leitfähigkeit wie die Ladungen aufweisen, die detektiert werden sollen, tritt das Problem des Dunkelstroms, der sonst an der Wannenschicht vor­ handen ist, nicht mehr auf. Ein derartiger Dunkelstrom läßt sich beträcht­ lich reduzieren, was auch zu einer Verminderung des Rauschens führt. Insbesondere stoßartiges bzw. impulsartiges Rauschen (short-noise) tritt nicht mehr auf, so daß sich auch eine höhere Detektorempfindlichkeit ein­ stellt.

Kein Phänomen ist zu beobachten im Hinblick auf eine Vergrößerung des Signalausgangs, wenn starkes Licht einfällt. Es ist darüber hinaus mög­ lich, einen Prozeß zur Bildung von p⁺-Bereichen zur Erzeugung der Source- und Drain-Bereiche zu eliminieren.

Die Erfindung wird neben dem Stand der Technik unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch eine Ladungs­ detektoreinrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung, und zwar in einer Richtung, in der Ladungen übertragen werden,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung einer Potentialverteilung in einem Siliziumsubstrat, das in der Einrichtung nach Fig. 1 vorhanden ist,

Fig. 3 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch eine Ladungs­ detektoreinrichtung nach der vorliegenden Erfindung, und zwar in einer Richtung senkrecht zu derjenigen, in der Ladungen übertragen werden,

Fig. 4a bis 4d jeweils Querschnitte und zugehörige Potentialvertei­ lungen, bezogen auf die erfindungsgemäße Einrichtung, und

Fig. 5 eine schematisch dargestellte Querschnittsansicht durch eine konventionelle Ladungsdetektoreinrichtung.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 1 bis 4 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher beschrieben, das sich auf einen Ladungsde­ tektor eines CCD-Bildsensors bezieht.

Die Fig. 1 zeigt dabei einen schematisch dargestellten Querschnitt des Ladungsdetektors in einer Richtung, in der die CCD Signalladungen über­ trägt.

Der Ladungsdetektor nach der Erfindung enthält ein n-Typ Siliziumsub­ strat 1 und eine p-Typ Wannenschicht 2 auf dem Siliziumsubstrat 1. Auf der p-Typ Wannenschicht 2 befinden sich ein begrabener Kanal 3 vom n- Typ, ein Sensorkanal 5 vom n-Typ, ein Oberflächenkanal 6 vom p-Typ und ein Reset-Drain 7 (Rücksetz-Drain). Der begrabene Kanal 3 und das Rück­ setz-Drain 7 liegen nebeneinander, wobei für den Sensorkanal 5 ein Be­ reich im begrabenen Kanal 3 freigelassen ist. Der Sensorkanal 5 reicht bis in die Wannenschicht 2 hinein. Auf dem Sensorkanal 5 kommt der Oberflä­ chenkanal 6 zu liegen.

Auf der gesamten freiliegenden Oberfläche der so erhaltenen Struktur be­ findet sich ein Gate-Oxid-Film 4. Auf dem Gate-Oxid-Film 4 liegen ein Rücksetz-Gate 13 (Reset-Gate), CCD-Übertragungselektroden 8, 9 und 10, ein Ausgabe-Gate 11 sowie ein Floating-Gate 12 (schwimmendes Ga­ te). Ferner befinden sich auf dem Floating-Gate 12 eine dicke Isolations­ schicht 15 und darauf liegend ein Vorspann-Gate 14.

Das Rücksetz-Gate 13 liegt zwischen dem Rücksetz-Drain 7 und dem Sen­ sorkanal 5, während auf der anderen Seite des Sensorkanals 5 ausgehend von diesem das Ausgabe-Gate 11 und dann die CCD- Übertragungselektroden 10, 9 und 8 angeordnet sind. Das Floating-Gate 12 liegt oberhalb des Sensorkanals 5 bzw. des Oberflächenkanals 6 und greift mit seinen Randbereichen ein wenig über das Rücksetz-Gate 13 und das Ausgabe-Gate 11. In ähnlicher Weise übergreift auch die CCD-Über­ tragungselektrode 10 mit ihren Randbereichen ein wenig das Ausgabe-Ga­ te 11 und die Übertragungselektrode 9.

Bereiche, die einen unmittelbaren Bezug zur vorliegenden Erfindung ha­ ben, tragen die Bezugszeichen 5, 6, 12, 14 und 15. Ein Vertikalschnitt durch diese Bereiche Istin Fig. 3 gezeigt. Diese Bereiche bilden einen n- Typ Oberflächenkanaltransistor, der durch die CCD übertragene Ladun­ gen detektiert.

Innerhalb des CCD-Bildsensors werden die durch die Photodiode eines je­ den Pixels bei auftreffendem Licht erzeugten Signalladungen zum begra­ benen Kanal 3 durch die CCD übertragen, so daß sie schließlich in den Sensorkanal 5 eintreten.

Zu diesem Zeitpunkt sind das Rücksetz-Drain 7 oder das Rücksetz-Gate 13, das Vorspann-Gate 14, das Ausgabe-Gate 11 und die CCD-Übertra­ gungselektroden 8, 9 und 10 mit geeigneten Spannungen vorgespannt. Die Potentialprofile der Signalladungen übertragenden Kanäle stehen in Übereinstimmung mit den in Fig. 2 gezeigten Profilen.

Fließen Signalladungen in den Sensorkanal 5, so verändert sich das Po­ tential innerhalb des Sensorkanals 5. Auch das Oberflächenpotential des Oberflächenkanals 6 verändert sich.

Die Fig. 4a und 4b zeigen eine Querschnittsstruktur von Substrat und Sensorkanal, jeweils in Tiefenrichtung des Substrats gesehen, und die zu­ gehörige Potentialverteilung. Dabei ist in Fig. 4b mittels der durchgezo­ genen Linie eine Potentialverteilung für den Fall eingezeichnet, daß sich keine Ladung im Sensorkanal 5 befindet, während durch die gestrichelte Linie das Potential für den Fall angegeben ist, daß der Sensorkanal 5 mit Signalladungen gesättigt ist.

Dagegen zeigen die Fig. 4c und 4d eine Querschnittsstruktur eines Ka­ nalisolationsbereichs zwischen dem begrabenen Kanal und dem Sensor­ kanal, sowie dessen zugehörige Potentialverteilung.

Signalladungen werden dadurch detektiert, daß die Variation in der Po­ tentialverteilung im Oberflächenkanal 6 detektiert wird, die in Überein­ stimmung mit den Signalladungen steht.

Die erfindungsgemäße Struktur zeichnet sich dadurch aus, daß der Sen­ sorkanal 5 an seiner Oberfläche mit dem p-Typ Oberflächenkanal 6 verse­ hen ist, der eine Leitfähigkeit aufweist, die entgegengesetzt zu derjenigen des Sensorkanals 5 ist, so daß er als Oberflächenkanal für Elektronen die­ nen kann. Darüber hinaus dient der Bereich der p-Typ Wannenschicht 2, der zwischen dem Sensorkanal 5 und dem Source-Bereich 16 bzw. zwi­ schen dem Sensorkanal 5 und dem Drain-Bereich 17 liegt als Kanalisola­ tionsbereich für den begrabenen Kanal 3. Diese Kanalisolationsbereiche erstrecken sich hoch bis zum Gate-Oxid-Film 4. Dabei kommt das Floa­ ting-Gate 12 in seinen Randbereichen über diesen Kanalisolationsberei­ chen zu liegen. Es ist somit möglich, diese Kanalisolationsbereiche gegen­ über Störungen durch Ströme zu schützen, die vom Source-Bereich zum Drain-Bereich fließen, wenn die Kanalisolationsbereiche so ausgelegt sind, daß ihr Oberflächenpotential tiefer liegt als das des Oberflächenkan­ als 6 auf dem Sensorkanal 5, da die Substratoberfläche invertiert ist, um als Oberflächenkanal zu arbeiten.

Die Beschreibung des Ausführungsbeispiels läßt erkennen, daß sich die vorliegende Erfindung auf einen Ladungsdetektor bezieht, der eine Elek­ tronenladung detektieren kann, und zwar mit Hilfe eines Transistors, der Elektronen als Ladungsträger verwendet.

Obwohl zur Erläuterung der Erfindung ein Ausführungsbeispiel beschrie­ ben wurde, bei dem die Signalladungen durch Elektronen gebildet werden, bezieht sich die Erfindung auch auf solche Einrichtungen, bei denen Signalladungen durch Löcher gebildet werden. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung angegeben, die Signal­ ladungen mit geringerem Übertragungsverlust übertragen kann. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Einrichtung nicht nur bei CCD′s ver­ wendet werden. Sie kann auch im Zusammenhang mit anderen Einrich­ tungen zur Übertragung von Signalladungen zum Sensorkanal zum Ein­ satz kommen.

Claims (1)

1. Ladungsdetektoreinrichtung mit einer Struktur, in der sich ein be­ grabener Ladungssensorkanal (5) und ein Oberflächenkanal mit schwim­ mendem Oberflächenpotential kreuzen, wobei sich dieses Oberflächenpo­ tential in Übereinstimmung mit der im Ladungssensorkanal (5) befindli­ chen Ladung einstellt, gekennzeichnet durch:

   • - einen Bereich (6) auf dem Ladungssensorkanal (5), der eine gegen­ über dem Ladungssensorkanal (5) entgegengesetzte Leitfähigkeit auf­ weist, und
   • - einen oberflächeninvertierbaren, begrabenen Kanalisolationsbe­ reich jeweils zwischen dem Ladungssensorkanal (5) und einem Source-Be­ reich (16) sowie einem Drain-Bereich (17), die beide auf dem Oberflächen­ kanal mit schwimmendem Oberflächenpotential liegen, wobei
   • - Ladungsträger im Oberflächenkanal mit schwimmendem Oberflä­ chenpotential und im Ladungssensorkanal (5) Elektronen sind, also die­ selbe Polarität aufweisen.