DE4329838A1 - Festkörper-Bildsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörper-Bildsensor und insbeson­ dere auf einen solchen mit vertikaler Überlauf-Drainstruktur, bei dem ei­ ne Mehrzahl von Photodioden zur photoelektrischen Umwandlung und ei­ ne Mehrzahl von ladungsgekoppelten Einrichtungen (CCD's) zur Signalla­ dungsübertragung zum Einsatz kommen, und der z. B. in Fällen verwendet wird, die eine geringere Verschmierung bzw. geringere Überstrahlung bzw. Überhellung erfordern.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf Fig. 8 ein konventioneller Festkörper-Bildsensor und im Zusammenhang damit auftretende Proble­ me näher erläutert, wobei der Festkörper-Bildsensor z. B. ein CCD-Fest­ körper-Bildsensor vom Zwischenzeilentyp ist, der auf einem N-Typ Silizi­ umwafer liegt.

Die Fig. 8 zeigt einen Querschnitt eines auf einem Siliziumsubstrat lie­ genden Pixels bzw. Bildelements eines zweidimensionalen Festkörper- Bildsensors. Die Pixelstruktur bzw. Bildelementstruktur enthält eine er­ ste Wannenschicht 2 einer vorbestimmten Dicke auf der Oberfläche eines N-Typ Siliziumsubstrats 1, wobei die erste Wannenschicht 2 den gesamten Pixelbereich überdeckt. Ferner enthält die Pixelstruktur eine zweite Wan­ nenschicht 3, die eine Dicke aufweist, die wesentlich kleiner ist als diejeni­ ge der ersten Wannenschicht 2. Diese zweite Wannenschicht 3 kommt da­ bei unterhalb eines CCD-Kanalbereichs 4 zu liegen, den sie aufnimmt.

Einfallendes Licht, das die Oberfläche der CCD über ein gegebenes opti­ sches System erreicht, trifft auf eine Photodiode 6 auf, und zwar durch ei­ ne Öffnung innerhalb einer Lichtabschirmschicht 11 hindurch. Im vorlie­ genden Fall dient die zweite Wannenschicht 3 dazu, die durch das einfal­ lende Licht innerhalb der ersten Wannenschicht 2 erzeugten Elektronen abzublocken und Verschmierungen zu vermeiden, die durch Leckströme von Elektronen in den CCD-Kanal 4 erzeugt werden.

Das N-Typ Siliziumsubstrat 1 wird durch ein positives elektrisches Poten­ tial vorgespannt, so daß für den Fall, daß die Photodiode eine extrem große Ladung erzeugt, die die Kapazität der Photodiode 6 übersteigt, die Elektro­ nen von der Photodiode 6 zum Siliziumsubstrat 1 geführt werden.

Ein Problem bei einem zuvor erwähnten Festkörper-Bildsensor besteht darin, daß nur ein sehr kleiner Anteil des einfallenden Lichts, das auf die Oberfläche der CCD auftrifft, photoelektrisch umgewandelt werden kann.

Eine Möglichkeit, den Anteil des einfallenden Lichts, der photoelektrisch umgewandelt werden kann, zu vergrößern, besteht in der Verwendung ei­ ner Linse auf der Oberfläche der CCD im Bereich eines jeden Pixels, um das einfallende Licht auf die entsprechende Photodiode 6 fokussieren zu können.

Die Fig. 9 zeigt einen Querschnitt durch den Pixelbereich eines Festkör­ per-Bildsensors mit einer derartigen Fokussierungslinse auf der CCD- Oberfläche, um deren Wirkung zu erläutern. Im vorliegenden Fall ist das linksseitige Pixel mit einer Mikrolinse 19 abgedeckt, während beim rechts­ seitigen Pixel keine derartige Linse vorhanden ist.

Wie durch die Strahlen 20 des einfallenden Lichts in Fig. 9 zu erkennen ist, wird links das Licht mit Hilfe der Mikrolinse 19 auf die Photodiode 6 fo­ kussiert. Die Wirkung des einfallenden Lichts wird somit durch die Mikro­ linse 19 erheblich verstärkt. Es ist allgemein bekannt, daß die Verwen­ dung einer solchen Linse 19 die Empfindlichkeit um das Zwei- oder Dreifa­ che im Vergleich zu dem Fall anhebt, bei dem keine solche Linse verwendet wird.

Der Einsatz einer derartigen Mikrolinse 19 führt jedoch zu dem Problem, daß stärkere Verschmierungen auftreten, wie nachfolgend erläutert wird.

Üblicherweise treffen nicht alle einfallenden Lichtstrahlen senkrecht auf die Oberfläche der CCD auf, sondern nur derjenige Lichtstrahl, der durch das Zentrum des optischen Systems hindurchtritt, so daß die Einfallswin­ kel der auftreffenden Lichtstrahlen erheblich schwanken,je nach Typ des optischen Systems.

Wird mit anderen Worten eine zur Einstellung der Lichtmenge verwendete Iris vergrößert, so ergibt sich auch eine vergrößerte Einfallswinkelvertei­ lung. Wird die Iris dagegen verkleinert, wird auch die Einfallswinkelvertei­ lung schmäler.

Die Einfallswinkelverteilung weist darüber hinaus ein unterschiedliches Verhalten im Zentralbereich und im Randbereich des Lichtempfangsab­ schnitts der CCD auf. So trifft das einfallende Licht im Randbereich des Lichtempfangsabschnitts der CCD auf die CCD-Oberfläche unter einem Einfallswinkel auf, der die größte Abweichung von der senkrechten bzw. lotrechten der Lichtempfangsoberfläche der CCD aufweist.

Die Fig. 10 zeigt einfallende Lichtstrahlen, um diesen Sachverhalt zu ver­ anschaulichen. Hierzu wird auf den linken Teil von Fig. 10 verwiesen.

Wie die Fig. 10 ferner in ihrem rechten Teil zeigt, tritt keine Änderung des Einfallswinkels der einfallenden Lichtstrahlen auf, wenn sich keine Linse auf der CCD befindet, jedoch wird bei Vorhandensein der Linse 19 auf der CCD das einfallende Licht durch die Linse 19 gebrochen bzw. abgelenkt, so daß dann die Lichtstrahlen nicht mehr senkrecht zur Lichtempfangsober­ fläche der CCD verlaufen. Die Lichtstrahlen treffen dann in der Nähe des CCD-Kanals 4 auf.

Da die zweite Wannenschicht 3 als Barriere für den CCD-Kanal 4 vorgese­ hen ist, verursacht die Tatsache, daß sich die Lichtstrahlen dem CCD-Ka­ nal 4 nähern, keine weiteren Verschmierungen. Wird jedoch entlang der­ selben und oben beschriebenen Lichtwege intensiveres Licht empfangen, das etwa tausendmal stärker ist als die Sättigungslichtmenge, so tritt eine Variation des elektrischen Potentials auf, und zwar durch eine durch das Intensiv einfallende Licht erzeugte elektrische Ladung, was zur Folge hat, daß eine große Anzahl von Elektronen in den CCD-Kanal 4 fließt.

Der Anteil der Lichtkomponente, der durch die Oberfläche des Silizium­ substrats 1 reflektiert wird, vergrößert sich mit zunehmender Abweichung des auftreffenden Lichts von der senkrechten bzw. lotrechten der Lichtempfangsoberfläche der CCD, so daß die Lichtkomponente auch dadurch verstärkt wird, daß sie wiederholt reflektiert wird, und zwar sowohl durch die Siliziumoberfläche als auch durch die Lichtabschirmschicht 11, bevor sie auf die Photodiode 6 auftrifft.

Die durch die Abweichung des auftreffenden Lichts von der senkrechten bzw. lotrechten der CCD erzeugte Verschmierung läßt sich dadurch ver­ mindern, daß der Spalt zwischen der Siliziumoberfläche und der Lichtab­ schirmschicht 11 verringert wird.

Diejenige Verschmierung jedoch, die durch die in den CCD-Kanal 4 hinein­ fließenden Elektronen verursacht wird, wenn intensiveres Licht auf die CCD auftrifft, das etwa tausendmal so groß wie die Sättigungsmenge des Lichts ist, läßt sich durch die bekannte Technologie nicht verhindern.

Kurz gesagt weist also der bekannte CCD-Festkörper-Bildsensor das Pro­ blem auf, daß bei Änderung der Einfallswinkelverteilung eine so starke Verschmierung auftritt, daß diese sich nicht mehr durch die Verwendung einer Linse auf der Oberfläche der CCD verhindern läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen CCD-Festkörper-Bildsen­ sor zu schaffen, bei dem die zuvor beschriebenen Probleme nicht mehr auf­ treten, und bei dem Verschmierungen der genannten Art wirksam verhin­ dert werden können.

Lösungen der gestellten Aufgabe sind in den kennzeichnenden Teilen der nebengeordneten Patentansprüche 1, 4 und 6 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweils nachgeordneten Unteran­ sprüchen zu entnehmen.

Um die oben erwähnte Aufgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß eine eigen­ leitende Wannenstruktur verwendet.

Die tiefe Wanne, die die Photodiode abdeckt, weist eine streifenförmige Form auf, wobei die Wannenstruktur in Horizontalrichtung unterteilt ist.

Die seichte Wanne, die den CCD-Kanalbereich abdeckt, wird als Trennzone verwendet, um den CCD-Kanalbereich gegenüber dem Siliziumsubstrat zu trennen.

Die unterhalb des CCD-Kanalbereichs liegende Wanne ist so konstruiert, daß ihre Tiefe kleiner ist als die Tiefe derjenigen Wanne, die unterhalb des Photodiodenbereichs liegt, wobei eine begrabene Wanne mit derselben Leitfähigkeit wie die des Siliziumsubstrats unterhalb des CCD-Kanalbe­ reichs gebildet ist. Dabei ist es möglich, die Tiefe der Wanne unterhalb der Trennzone zwischen den Photodioden relativ gering zu wählen und zusätz­ lich eine begrabene Wanne mit derselben Leitfähigkeit wie die des Silizi­ umsubstrats unter der Trennzone zwischen den Photodioden vorzusehen.

Die tiefe Wanne, die zur Abdeckung der Photodiode dient, kann auch eine Insel definieren, und zwar in Übereinstimmung mit der Photodiode des Pi­ xelbereichs, um eine separate Wannenstruktur für jeden Pixelbereich bzw. Bildpunktbereich zu erhalten. Jede Wanne nimmt dabei eine Photo­ diode auf.

In Übereinstimmung mit der Erfindung kann anstelle der seichten Wanne, die den CCD-Kanalbereich abdeckt, auch eine begrabene Schicht mit höhe­ rer Konzentration verwendet werden, und zwar unterhalb des CCD-Kanal­ bereichs.

Kommt die oben erwähnte Struktur bei einem CCD-Festkörper-Bildsensor zum Einsatz, so bildet der Bereich unter dem CCD-Kanal das Substrat, wo­ bei sich die seichte bzw. flache Wanne zwischen dem CCD-Kanal und dem Substrat befindet.

Das Substrat wird in herkömmlicher Weise durch ein Potential vorge­ spannt, um Überstrahlungen und damit weichere Bildeffekte zu vermei­ den. Tritt eine elektrische Ladung in den Substratbereich ein, der durch das Potential vorgespannt ist, so wird die elektrische Ladung durch das Substrat abgeführt.

Erstreckt sich der Bereich bzw. Substratbereich bis zu einer Position dicht unterhalb des CCD-Kanals, so wird die elektrische Ladung, die durch ein­ fallendes Licht in der Nähe des CCD-Kanalbereichs erzeugt wird, schnell durch das Substrat abgeführt.

Der Festkörper-Bildsensor nach der Erfindung begrenzt auch die Schwan­ kungen der Potentialverteilung, die durch die elektrische Ladung hervor­ gerufen wird, so daß bei ihm Verschmierungen bzw. Überstrahlungen oder Überhellungen vollständig beseitigt werden. Insbesondere tritt der soge­ nannte "Blooming-Effekt" nicht mehr auf. Bildet die tiefe Wanne, die die Photodiode abdeckt, eine Insel, um die Photodiode des Bildpunktbereichs bzw. Pixels aufzunehmen, und weist der Bildpunktbereich eine separate Wannenstruktur auf, so lassen sich einerseits die Photodioden voneinan­ der trennen und andererseits die Bildeigenschaften noch weiter verbes­ sern. Insbesondere wird erreicht, daß sich die Modulations-Transfer- Funktion (MTF) auch bei Auftreffen von intensivstem Licht nicht ver­ schlechtert.

Wird eine begrabene Schicht mit hoher Konzentration unterhalb des CCD- Kanalbereichs gebildet, so läßt sich diese als noch stärkerer Barrierenbe­ reich verwenden. Schwankungen in der Potentialverteilung, erzeugt durch die elektrische Ladung, lassen sich daher noch weiter begrenzen, und zwar auch dann, wenn intensivstes Licht durch die CCD entlang eines Weges empfangen wird, der unter einem Winkel zur senkrechten bzw. lotrechten der lichtempfangenden Fläche der CCD verläuft.

Derart verlaufende Strahlen können somit keinen Schmiereffekt mehr hervorrufen.

Die Zeichnung stellt neben dem Stand der Technik Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Pixelbereich eines Festkörper- Bildsensors nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht entsprechend Fig. 1, jedoch gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend Fig. 1, jedoch gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4a bis 4c Querschnittsdarstellungen eines vierten Ausführungs­ beispiels der Erfindung, wobei die Fig. 4a ein Horizontalschnitt des Pixel­ bereichs des vierten Ausführungsbeispiels, die Fig. 4b ein Vertikal­ schnitt des Pixelbereichs des vierten Ausführungsbeispiels und die Fig. 4c ebenfalls ein Vertikalschnitt des Pixelbereichs des vierten Ausfüh­ rungsbeispiels, angepaßt an die Struktur nach Fig. 2, sind,

Fig. 5 eine Ansicht entsprechend Fig. 4b, jedoch bezogen auf ein fünf­ tes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6a bis 6c Muster von Layout-Diagrammen für Wannenstrukturen in Übereinstimmung mit den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Er­ findung, wobei die Fig. 6a ein Layout-Muster für den bekannten Pixelbe­ reich nach Fig. 8, die Fig. 6b ein Layout-Muster für das erste Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 1 und Fig. 6c ein Layout-Muster für das vierte Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4a und 4b sind,

Fig. 7 eine Darstellung entsprechend der Fig. 1, jedoch bezogen auf ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 8 eine Querschnittsdarstellung eines Pixelbereichs eines Festkör­ per-Bildsensors in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik,

Fig. 9 eine Querschnittsdarstellung eines Pixelbereichs eines Festkör­ per-Bildsensors zur Erläuterung eines Lichtfokussierungseffekts einer auf der CCD-Oberfläche vorhandenen Linse, und

Fig. 10 eine Querschnittsdarstellung eines Pixelbereichs eines Festkör­ per-Bildsensors zur Erläuterung der Wirkung von Lichtstrahlen, die unter einem Winkel relativ zur Lot- bzw. Senkrechten auf die Lichtempfangsoberfläche der CCD auftreffen.

Nachfolgend werden Festkörper-Bildsensoren nach der Erfindung näher beschrieben, und zwar beispielsweise unter Bezugnahme auf eine CCD vom Zwischenzeilen-Transistor-Typ auf einem N-Typ Siliziumwafer.

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Bildbereichs eines Festkörper- Bildsensors in Übereinstimmung mit einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Der Bildbereich bzw. Pixelbereich des ersten Ausführungsbeispiels ent­ hält eine erste P-Typ Wannenschicht 2 auf der Oberfläche eines N-Typ Sili­ ziumsubstrats 1, um eine Photodiode 6 abzudecken. Ferner enthält der Pi­ xel- bzw. Bildbereich eine zweite P-Typ Wannenschicht 3, deren Tiefe be­ deutend kleiner ist als diejenige der ersten Wannenschicht 2. Diese zweite Wannenschicht 3 bedeckt einen CCD-Kanalbereich 4, der auf der Wannen­ schicht 3 zu liegen kommt. Unterhalb des CCD-Kanalbereichs 4 befindet sich nicht die erste Wannenschicht 2, so daß nur die zweite Wannen­ schicht 3 als Trennzone zur Trennung des CCD-Kanalbereichs 4 vom N-Typ Siliziumsubstrat 1 dient.

Da das N-Typ Siliziumsubstrat 1 durch positives Potential vorgespannt ist, um überschüssige Ladung abzugeben, weist die zweite Wannenschicht 3 eine hinreichend höhere Konzentration auf.

Dank dieser Konstruktion des Pixelbereichs läßt sich eine Verschmierung beträchtlich verringern, auch wenn Licht entlang eines Weges auf die CCD auftrifft, der gegenüber der senkrechten bzw. lotrechten der Lichtemp­ fangsoberfläche der CCD geneigt ist, wie die Fig. 10 zeigt. In diesem Fall wird in der Wannenschicht keine elektrische Ladung erzeugt, sondern le­ diglich im N-Typ Siliziumsubstrat, wodurch sich der Verschmierungsef­ fekt wirksam unterdrücken läßt.

Durch die Erfindung wird darüber hinaus die Änderung der Potentialverteilung infolge der durch intensives auftreffendes Licht erzeugten elektri­ schen Ladung begrenzt.

Die verschiedenen bzw. erforderlichen kastenförmigen Wannenstruktu­ ren gemäß Fig. 1 sowie entsprechende Dotierungsverteilungen können mit konventionellen Ionenimplantationsverfahren nicht hergestellt wer­ den. Seit kurzem ist es jedoch möglich, Ionen mit hoher Energie von etwa 3 MeV zu implantieren, so daß die Bildung der Wannenstruktur gemäß Fig. 1 leicht möglich ist.

Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel- bzw. Bildbereich in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Wannen­ struktur ähnlich wie bei Fig. 1 und unter Verwendung der konventionel­ len Wannenherstellungstechnik gebildet.

Um die Wannenstruktur nach Fig. 2 zu erhalten, erfolgt eine Ionenim­ plantation bei einer Beschleunigungsspannung von maximal etwa 180 KV, wobei weitere Wannenherstellungsschritte durchgeführt werden, zu de­ nen auch eine Wärmebehandlung bei höherer Temperatur von etwa 1200°C gehört, um die Wanne einzubringen. Als Ergebnis der Ionenim­ plantation und der Wärmebehandlung bei hoher Temperatur wird ein la­ teraler Diffusionsbereich erhalten, der die erste Wannenschicht 2 bildet und die Photodiode 6 abdeckt, wie die Fig. 2 erkennen läßt. Ein Teil der zweiten Wannenschicht 3 überlappt dabei die erste Wannenschicht 2, die die Photodiode 6 abdeckt, die benachbart zur zweiten Wannenschicht 3 liegt.

Existiert wie im Falle der Fig. 2 ein lateraler Diffusionsbereich in der er­ sten Wannenschicht 2 bzw. zur Bildung dieser Schicht, so wird derselbe Effekt wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erzielt, da sich der Be­ reich des N-Typ Siliziumsubstrats bis in den Bereich unterhalb des CCD- Kanals 4 erstreckt.

Derselbe Effekt kann natürlich auch erzielt werden, wenn die Wannen­ struktur so ausgebildet ist, daß sie zwischen den Ausführungsformen ge­ mäß Fig. 1 und 2 liegt oder wenn der Überlappungsbereich zwischen den benachbarten Wannen 2 und 3 größer ist als in Fig. 2 gezeigt.

Die Fig. 3 zeit ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung. Dabei ist die Form der ersten Wannenschicht 2 etwa dieselbe wie bei der konventionellen Struktur gemäß Fig. 8, jedoch ist beim dritten Aus­ führungsbeispiel gemäß Fig. 3 eine begrabene Schicht 21 vorhanden, die dieselbe Leitfähigkeit aufweist wie das Siliziumsubstrat 1. Diese begrabe­ ne Schicht 21 kommt jeweils im Abstand unterhalb der zweiten Wannen­ schicht 3 zu liegen, die unterhalb des CCD-Kanalbereichs 4 liegt.

Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel wird derselbe Effekt wie beim zu­ vor erwähnten ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erzielt. Die be­ grabene Schicht 21 weist dieselbe Leitfähigkeit wie das Substrat 1 auf und wird vorzugsweise durch das bereits zuvor erwähnte Hochenergie- Ionenimplantationsverfahren gebildet.

Bei den drei Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 bis 3 liegt jeweils zwischen den beiden Photodioden 6 die zweite Wannenschicht 3 parallel zur Substratoberfläche, wobei die zweite Wannenschicht 3 in ihren jeweili­ gen Endbereichen mit der jeweils benachbarten Photodiode 6 in Kontakt steht. Auf der zweiten Wannenschicht 3 liegt der schichtförmig ausgebil­ dete CCD-Kanalbereich 4, der in seinem rechtsseitigen Stirnseitenbereich in den Fig. 1 bis 3 noch von der zweiten Wannenschicht 3 abgedeckt ist, so daß er dort nicht die benachbarte Photodiode 6 berührt. Zwischen der anderen Stirnseite des CCD-Kanalbereichs 4 und der ihr gegenüberlie­ genden Photodiode 6 befindet sich ein Kanalstoppbereich 5. Auf den Pho­ todioden 6 kommen Löchersammelschichten 7 zu liegen. Die so gebildete Struktur wird durch einen Elektrodenisolationsfilm 8 abgedeckt. Übertra­ gungselektroden 9 liegen jeweils auf dem Elektrodenisolationsfilm 8 und dem CCD-Kanalbereich 4 gegenüber. Die Übertragungselektroden 9 wer­ den durch Isolationsfilme 10 abgedeckt, auf denen Lichtabschirmschich­ ten 11 zu liegen kommen. Diese Lichtabschirmschichten 11 sind jedoch nicht im Bereich der Photodioden 6 vorhanden. Die gesamte so erhaltene Struktur ist durch eine lichtdurchlässige Schutzschicht 12 abgedeckt.

Die ersten Wannenschichten 2 sind nur um die Photodioden 6 herum ge­ bildet und liegen zwischen dem N-Typ Siliziumsubstrat 1 und den Photo­ dioden 6, wobei sie sich um die Photodioden 6 herum so erstrecken, daß sie von der linksseitigen zur rechtsseitigen zweiten Wannenschicht 3 reichen, sich mit diesen überlappen und diese berühren. Das N-Typ Siliziumsub­ strat 1 oder die begrabene Schicht 21 reichen dabei in den Bereich zwi­ schen den beiden Photodioden 6 hinein und erstrecken sich in Richtung zur zweiten Wannenschicht 3 bzw. zum CCD-Kanalbereich 4. Dabei kann das Siliziumsubstrat 1 die zweite Wannenschicht 3 berühren (Fig. 1) oder sich spitzenförmig in den Bereich zwischen den Photodioden 6 hineiner­ strecken (Fig. 2). Gemäß Fig. 2 müssen sich die jeweils ersten Wannen­ schichten 2 unterhalb des CCD-Kanalbereichs 4 nicht berühren, können also auch weiter auseinander liegen, oder sich aber auch überlappen, so daß nur eine kleinere Spitze der Siliziumschicht 1 in diesem Abschnitt er­ halten wird. Auch könnte die begrabene Schicht 21 gemäß Fig. 3 direkt die zweite Wannenschicht 3 berühren.

Die Fig. 4a und 4b zeigen jeweils Vertikalschnitte in zueinander senk­ rechten Richtungen durch einen Pixel- bzw. Bildpunktbereich eines vier­ ten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wobei die Fig. 4a einen entsprechenden Schnitt zeigt wie die Fig. 1. Dieser soll nachfol­ gend als Horizontalschnitt bezeichnet werden. Bei diesem vierten Ausfüh­ rungsbeispiel sind die ersten Wannenschichten 2, die die Photodioden 6 abdecken, sowohl in Horizontalrichtung (Fig. 4a) als auch in Vertikal­ richtung (4b) voneinander getrennt, so daß diese ersten Wannenschichten 2 der Bildpunktbereiche voneinander unabhängige Inseln bilden.

Dadurch wird erreicht, daß der Einfluß von Verschmierungs- und Über­ strahlungs- bzw. Überhellungseffekten noch weiter gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 verringert werden kann. Auch intensivstes einfallendes Licht kann somit diesbezüglich nicht zu verschlech­ terten Bildergebnissen führen. Eine Verschlechterung des MTF läßt sich somit wirksam verhindern.

Die Fig. 4c zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Pixelbereich des vier­ ten Ausführungsbeispiels, wobei dieser Schnitt wie bei Fig. 4b liegt, wäh­ rend jedoch die ersten Wannenschichten 2 wie bei Fig. 2 ausgebildet sind. Entsprechend wird auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4c derselbe Effekt wie bei den Strukturen nach den Fig. 4b bzw. Fig. 2 erhalten.

Die Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung. Hier entspricht die allgemeine Form der ersten Wannenschicht 2 derjenigen Wannenschicht 2 bei der konventionellen Struktur nach Fig. 8. Jedoch ist beim fünften Ausführungsbeispiel eine begrabene Schicht 21 vorhanden, die dieselbe Leitfähigkeit aufweist wie das Siliziumsubstrat 1, wobei die begrabene Schicht 21 jeweils unterhalb eines Pixeltrennbe­ reichs 5 (Kanalstoppbereich) zu liegen kommt, der sich zwischen zwei be­ nachbarten Photodioden 6 erstreckt.

Dieses fünfte Ausführungsbeispiel führt zu denselben Ergebnissen wie das vierte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4b.

Die begrabene Schicht 21 weist dieselbe Leitfähigkeit wie das Substrat 1 auf und wird vorzugsweise durch das bereits eingangs erwähnte Hoche­ nergie-Ionenimplantationsverfahren hergestellt, wie auch die beim drit­ ten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 erwähnte Schicht 21.

Gemäß Fig. 4a liegt der CCD-Kanalbereich 4 wiederum auf der zweiten Wannenschicht 3, die sich jetzt jedoch zwischen dem Kanalstoppbereich 5 linksseitig und der Photodiode rechtsseitig erstreckt. Der CCD-Kanalbe­ reich 4 wird links von der Kanalstoppschicht 5 und rechts von der zweiten Wannenschicht 3 eingegrenzt. Die Kanalstoppschicht kommt zwischen der linksseitigen Photodiode und den jeweiligen Stirnseiten der Schichten 3 und 4 zu liegen. Die die linke Photodiode 6 umgebende erste Wannen­ schicht 2 zwischen Substrat 1 und Photodiode 6 überlappt sich linksseitig mit der zweiten Wannenschicht 3 und rechtsseitig mit dem Kanalstoppbe­ reich 5 und der zweiten Wannenschicht 3, was bei der rechten Photodiode 6 ebenfalls der Fall ist. Zwischen beiden ersten Wannenschichten 2 ragt das Siliziumsubstrat 1 bis zur zweiten Wannenschicht 3 hoch.

Gemäß den Fig. 4b und 4c sind die jeweiligen Photodioden 6 seitlich durch die Pixeltrennbereiche 5 eingegrenzt, berühren diese also. Die er­ sten Wannenschichten 2 zwischen Substrat 1 und Photodioden 6 verlau­ fen daher um diese herum von Pixeltrennbereich 5 zu Pixeltrennbereich 5. Zwischen beiden ersten Wannenschichten 2 ragt wiederum das Substrat 1 hoch, und zwar bis zum Pixeltrennbereich 5 zwischen den beiden Photo­ dioden 6.

Bei Fig. 4c liegen ähnliche Verhältnisse vor, jedoch berühren sich hier die ersten Wannenschichten 2, allerdings nur in der unmittelbaren Nähe des Pixeltrennbereichs 5. Dies führt dazu, daß sich das Substrat 1 spitzen­ förmig in den Bereich zwischen den beiden Photodioden 6 in Richtung zur Schicht 5 erstreckt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ragt die begrabene Schicht 21 ausgehend vom Siliziumsubstrat 1 in Richtung zum Bereich 5 zwischen den beiden Dioden 6 und kann diesen Bereich 5 ggf. auch berühren. Abwei­ chend hiervon ist in Fig. 5 noch ein Rest der Schicht 2 zwischen dem Be­ reich 21 und der Schicht 5 vorhanden.

Die Fig. 6a bis 6c zeigen Draufsichten auf Layout-Muster von ersten Wannen 15, CCD-Kanälen 16 und Photodioden 17, die jeweils auf der Ober­ fläche des Siliziumsubstrats gebildet werden. Fig. 6 entspricht dabei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8, während die Fig. 6b das Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt und die Fig. 6c das vierte Ausführungs­ beispiel nach den Fig. 4a und 4b.

Die ersten Wannen 15 nach Fig. 6a überdecken alle den Pixelbereich, während jedoch die ersten Wannen 15 nach Fig. 6b einen streifenförmi­ gen Bereich unterhalb eines jeweiligen CCD-Kanals 16 freilassen. Die er­ sten Wannen 15 nach Fig. 6c sind dagegen voneinander getrennt, und zwar in Horizontalrichtung in Fig. 6c als auch in Vertikalrichtung in Fig. 6c, um Inseln zu bilden.

Der Ausdruck Horizontalrichtung für das Beispiel gemäß Fig. 4a bezieht sich auf die Definition gemäß Fig. 6c.

Die Fig. 7 zeigt einen Horizontalschnitt durch einen Pixelbereich in Über­ einstimmung mit einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung, wobei dieser Schnitt demjenigen von Fig. 1 gleicht. Der Aus­ druck "horizontal" bezieht sich wiederum auf die Definition gemäß Fig. 6c.

Bei der Erfindung befindet sich vorzugsweise ein P⁺-Bereich unterhalb des CCD-Kanalbereichs 4, um den CCD-Kanalbereich 4 vollständig vom N-Typ Siliziumsubstrat 1 zu trennen, das durch positives Potential vorgespannt ist, und um zuverlässig Potentialänderungen zu begrenzen, die durch elektrische Ladungen hervorgerufen werden, welche durch intensives ein­ fallendes Licht erzeugt werden.

Werden allerdings alle die genannten Wannen so hergestellt, daß sie eine höhere Konzentration aufweisen, so ergibt sich ein Problem bei der Über­ tragung der elektrischen Ladung von der Photodiode 6 zur CCD.

In dieser Hinsicht wird vorgeschlagen, eine begrabene P⁺-Schicht 13 mit höherer Konzentration nur im Bereich unterhalb des CCD-Kanals 4 zu bil­ den, wie die Fig. 7 erkennen läßt.

Durch die begrabene P⁺-Schicht 13 mit höherer Konzentration wird die CCD-Kanalschicht 4 zuverlässig vom Siliziumsubstrat 1 getrennt, wo­ durch sich sowohl Verschmierungen als auch Aufhellungen bzw. Über­ strahlungen (sogenanntes Blooming) weitestgehend unterdrücken lassen.

Es ist klar, daß die begrabene P⁺-Schicht 13 mit höherer Konzentration auch bei irgendeinem der zuvor erwähnten ersten bis fünften Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung zum Einsatz kommen kann und zu densel­ ben Effekten führt wie beim sechsten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7.

Die oben beschriebenen Ausdrücke "Horizontalrichtung" und "Vertikal­ richtung" beziehen sich auf Richtungen z. B. im Bild eines Fernsehemp­ fängers. Dabei ist die Vertikalrichtung in der Praxis gleich der Signalla­ dungs-Übertragungsrichtung im Pixelbereich der CCD, während die Hori­ zontalrichtung senkrecht zur obigen Vertikalrichtung verläuft.

Natürlich kann die Wannenstruktur nach der Erfindung auch bei eindimensionalen Festkörper-Bildwandlern und nicht nur bei den oben er­ wähnten zweidimensionalen Festkörper-Bildwandlern zum Einsatz kom­ men und liefert dort auch dieselben Ergebnisse, die zuvor erläutert wur­ den.

Claims (9)

1. Festkörper-Bildsensor mit vertikaler Überlauf-Drainstruktur, bei dem eine Photodiode (6) zur photoelektrischen Umwandlung und eine la­ dungsgekoppelte Einrichtung (CCD) zur Signalladungsübertragung zum Einsatz kommen, gekennzeichnet durch:

• - eine erste Wanne (2) zur Abdeckung der Photodiode (6), und
• - eine zweite Wanne (3) zur Abdeckung eines CCD-Kanalbereichs (4), die eine geringere Tiefe als die erste Wanne (2) aufweist, wobei die zweite Wanne (3) als Trennzone zur Trennung des CCD-Kanalbereichs (4) von ei­ nem Halbleitersubstrat (1) wenigstens in einem Pixel- bzw. Bildpunktbe­ reich dient.

2. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wanne (2) eine streifenförmige Struktur aufweist.

3. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wanne (2) die Form einer Insel aufweist, auf der sich die Pho­ todiode (6) befindet.

4. Festkörper-Bildsensor mit vertikaler Überlauf-Drainstruktur, bei dem eine Photodiode (6) zur photoelektrischen Umwandlung und eine la­ dungsgekoppelte Einrichtung (CCD) zur Signalladungsübertragung zum Einsatz kommen, gekennzeichnet durch:

• - eine erste Wanne (2) zur Abdeckung der Photodiode (6), und
• - eine begrabene Schicht (13) zur Abdeckung eines CCD-Kanalbereichs (4), die eine Tiefe aufweist, die kleiner ist als die der ersten Wannenschicht (2), wobei die begrabene Schicht (13) eine gegenüber einem Halbleitersub­ strat (1) entgegengesetzte Leitfähigkeit und ferner eine hohe Konzentra­ tion aufweist sowie als Trennzone zur Trennung des CCD-Kanalbereichs (4) vom Halbleitersubstrat (1) wenigstens in einem Pixel- bzw. Bildpunkt­ bereich dient.

5. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der zweiten Wanne (3) sich mit der ersten Wanne (2) überlappt, die die Photodiode (6) abdeckt, welche benachbart zur zweiten Wanne (3) liegt.

6. Festkörper-Bildsensor mit vertikaler Überlauf-Drainstruktur, bei dem eine Photodiode (6) zur photoelektrischen Umwandlung und eine la­ dungsgekoppelte Einrichtung (CCD) zur Signalladungsübertragung zum Einsatz kommen, gekennzeichnet durch:

• - eine erste Wanne (2) zur Abdeckung eines gesamten Pixel- bzw. Bild­ punktbereichs und unterhalb eines CCD-Kanalbereichs (4), wobei die erste Wanne (2) bereichsweise eine relativ geringe Tiefe aufweist bzw. seicht ist, und
• - eine zweite Wanne (3) mit streifenförmiger Struktur, die zur Ab­ deckung des CCD-Kanalbereichs (4) dient und in der ersten Wanne (2) liegt, wobei die zweite Wanne (3) eine Tiefe aufweist, die kleiner ist als die der er­ sten Wanne (2).

7. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ei­ ne begrabene Schicht (21), die dieselbe Leitfähigkeit aufweist wie ein Halb­ leitersubstrat (1), und die mit der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) in Kontakt steht, um die Tiefe der ersten Wanne (2), die den gesamten Pixel- bzw. Bildpunktbereich abdeckt, partiell zu verringern.

8. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wanne (2) partiell in ihrer Tiefe verringert ist, und zwar in ei­ nem Gebiet, daß den Pixel- bzw. Bildpunktbereich in Vertikalrichtung un­ terteilt.

9. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ei­ ne begrabene Schicht (21), die dieselbe Leitfähigkeit wie ein Halbleitersub­ strat (1) aufweist, wobei die begrabene Schicht (21) mit einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) in Kontakt steht, um die Tiefe der ersten Wanne (2), die den gesamten Pixel- bzw. Bildpunktbereich abdeckt, partiell in ei­ nem Gebiet zu verringern, das den Pixel- bzw. Bildpunktbereich in Verti­ kalrichtung unterteilt.