DE4413988A1 - CCD Festkörperbildsensor - Google Patents

Description

Vorliegende Erfindung betrifft einen CCD-Festkörper­ bildsensor und insbesondere einen Festkörperbildsensor mit eingebettetem Transfergatekanalbereich und mit einem nietartigen Fotodiodenbereich mit stufenweiser Kon­ zentrationsverteilung.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines bekannten, im Interlace-Betrieb arbeitenden CCD-Festkörperbildsensor. Dieser in Fig. 1 gezeigte, bekannte Festkörperbildsensor weist ein n-Substrat 11, eine p-Wanne 12, die im n-Substrat ausgebildet ist, mehrere n-Fotodiodenbereiche 13, die durch Implantieren von n-Verunreinigungsionen bis zu einer Tiefe von 0,5-0,7 µm in der p-Wanne 12 gebildet sind, sowie eine p⁺-Lage 14 hoher Konzentration, die oberhalb jeder n- Fotodiode 13 gebildet ist und eine Tiefe von 0,1-0,2 µm hat, um so die Oberflächenstörungen der n-Fotodiode 13 zu vermindern. Weiterhin weist der Festkörperbildsensor auf: mehrere vertikale CCD-Kanalbereiche (VCCD) 15 des n- Leitungstyps, die jeweils in der p-Wanne 12 bis zu einer Tiefe von 0,3-0,7 µm ausgebildet und von jedem n-Foto­ diodenbereich 13 beabstandet und dazu eingerichtet sind, als vertikale Transferkanäle für einen vertikalen Ladungstransfer zu dienen, einen Transfergatekanal 16 des p⁻-Leitungstyps, der in der p-Wanne 12 zwischen den jeweiligen VCCD-Kanalbereichen 15 des n-Leitungstyps und jedem entsprechenden n-Fotodiodenbereich 13 ausgebildet sind, einen p-Kanalstopbereich 17, der in der p-Wanne 12 zwischen jedem n-Fotodiodenbereich 13 und jedem dem n-Foto diodenbereich benachbarten VCCD-Kanalbereich 15 des n- Leitungstyps ausgebildet ist, einen dünnen über dem n- Substrat 11 gebildeten Isolierfilm 18, ein auf dem Isolier­ film 18 über jedem Transfergatekanal 16 und jedem VCCD- Kanalbereich 15 ausgebildetes Transfergate 19, das aus einem mit n-Verunreinigungsionen dotierten polykristallinen Film besteht, einen metallischen Lichtabschirmfilm 21, der die gesamte Oberfläche der sich ergebenden Struktur mit Ausnahme eines oberhalb jedes n-Fotodiodenbereichs 13 vorgesehenen Bereichs bedeckt, der eine Öffnung 22 bildet, durch die Lichtstrahlen in den n-Fotodiodenbereich 13 treten können, und einen Schnittstellenisolierfilm 20 zur Isolation des Transfergates 19 gegenüber dem metallischen Lichtabschirmfilm 21.

Dieser bekannte, im Interlace betriebene CCD-Festkörper­ bildsensor, der den zuvor beschriebenen Aufbau hat, ar­ beitet in einem integrierenden Modus bei dem er die von jedem n-Fotodiodenbereich 13 aufgrund der durch jede der Öffnungen 22 tretenden Lichtstrahlen erzeugten Signal­ ladungen sammelt oder in einem Auslesemodus, bei dem er die in jedem n-Fotodiodenbereich 13 angesammelten Signalladungen zum entsprechenden n-VCCD-Kanalbereich 15 überträgt.

Im integrierenden Modus sammelt der CCD-Festkörperbild­ sensor die Signalladungen innerhalb eines gegebenen Zeit­ abschnitts. Die Potentialverteilung in verschiedenen Ab­ schnitten des Festkörperbildsensors im Integrationsmodus längs der Fig. 1 gezeigten, strichpunktierten Linie A-A′ ist in Fig. 2 dargestellt. Wegen einer zwischen jedem p⁻- Transfergatekanalbereich 16 und der p-Wanne 12 gebildeten Potentialschwelle werden die durch die einfallenden Licht­ strahlen erzeugten Signalladungen in jedem entsprechenden n-Fotodiodenbereich 13 während einer vorgegebenen Zeit­ spanne von z. B. 1/60 bis 1/30 s angesammelt.

Im integrierenden Modus liegt dem Transfergate 19 eine Spannung von 0 V an. Als Ergebnis bildet jeder p⁻-Transfer­ gatekanalbereich 16 mit Sicherheit eine Potentialschwelle, die die angesammelten Ladungen in jedem entsprechenden n- Fotodiodenbereich 13 vor Verschiebung schützt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Andererseits wird der CCD-Festkörperbildsensor im Auslese­ modus zur Übertragung der in jedem n-Fotodiodenbereich 13 angesammelten Ladungen an jeden entsprechenden n-VCCD- Kanalbereich 15 betrieben. Die Potentialverteilung in verschiedenen Abschnitten des Festkörperbildsensors im Auslesemodus längs der Linie A-A′ in Fig. 1 zeigt Fig. 3, und Fig. 4 zeigt diese längs der Linie B-B′ von Fig. 1.

Im Auslesemodus liegt dem Transfergate 19 eine Spannung von 15 V an. Als Ergebnis wird das Potential jedes VCCD-Kanal­ bereichs 15 des n-Leitungstyps sehr gering, wie dies in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Außerdem wird das Potential jedes p⁻-Transfergatekanalbereichs 16 klein. Demgemäß bewegen sich die in jedem Fotodiodenbereich 13 ange­ sammelten Signalladungen durch die jeweils entsprechenden p⁻-Transfergatekanalbereiche zu den entsprechenden n-VCCD- Kanalbereichen 15.

Ein Nachteil des bekannten Festkörperbildsensors besteht darin, daß die Fläche an der Oberfläche jedes Transfergates 19 groß sein sollte, weil sich die in jedem Fotodioden­ bereich 13 akkumulierten Signalladungen durch den jeweils entsprechenden Transfergatekanalbereich 16 des p⁻-Leitungs­ typs zum entsprechenden n-VCCD-Kanalbereich bewegen. Bei diesem bekannten Festkörperbildsensor ist nachteiligerweise die Wahrscheinlichkeit höher, daß die zu den VCCD-Kanal­ bereichen 15 übertragenen Signalladungen Störladungen ent­ halten.

Da jeder Fotodiodenbereich 13 eine geringe Sperrschicht­ tiefe hat, weist dieser Festkörperbildsensor einen schlechten Empfindlichkeitskennwert auf. Dieser schlechte Empfindlichkeitskennwert wirkt sich in einem schlechten Nachziehkennwert aus.

Dort wo jeder Fotodiodenbereich 13 sehr weit ist, ist der Bildverzögerungskennwert des Festkörperbildsensors schlecht, weil die Wirkung eines Grenzfeldes trotz des Ein­ schaltens des jeweiligen Transfergates 19 gering ist. Außerdem werden, wenn intensive Lichtstrahlen die Foto­ dioden 13 durch die Öffnung 22 erreichen, die Ladungswege zum Ableiten überschüssiger Ladungen zum Substrat 11 schmaler. Als Ergebnis verschlechtern sich die Über­ strahlungseigenschaften.

Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren bekannten Festkörperbildsensors, der einen verbesserte Über­ strahlungseigenschaften erzielenden Doppelwannenaufbau hat Gemäß Fig. 5 ist unter jedem VCCD-Kanalbereich 15 des n- Leitungstyps eine zweite p-Wanne 23 gebildet. Die Ausbildung dieser zweiten p-Wanne 23 wird durch Implantieren von p-Verunreinigungsionen in einem Abschnitt der unter jedem n-VCCD-Kanalbereich 15 ausgebildeten p- Wanne 12 mittels eines hochenergetischen Implanta­ tionsprozesses erreicht. Dieser bekannte Festkörper­ bildsensor ist in ITEJ Technical Report Bd. 16, Nr. 18, Seiten 7-12, IPU 92.8-92.9 (Feb. 1992) beschrieben.

Obwohl die Überstrahlungseigenschaften dieses bekannten Festkörperbildsensors mit Doppelwannenstruktur im Vergleich mit den gem. Fig. 1 verbessert ist, kann er die durch die Signalladungsbewegung durch die die geringe Sperr­ schichttiefe aufweisenden Fotodiodenbereiche und die Transfergatekanalbereiche hindurch verursachten Probleme, genauso wie sie im Fall der Fig. 1 auftreten, nicht lösen.

Es ist deshalb Aufgabe dieser Erfindung, die zuvor geschilderten, im Stand der Technik auftretenden Schwierig­ keiten zu beseitigen und einen CCD-Festkörperbildsensor zu ermöglichen, dessen Empfindlichkeit gesteigert und dessen Signalverzögerungs-, Nachzieh- und -Störkennwerte verbessert sind, und bei denen während der Herstellung weniger auftritt.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht zur Lösung der obigen Aufgabe einen CCD-Festkörperbildsensor, der aufweist:
ein Siliziumsubstrat eines ersten Leitungstyps; eine erste Wanne eines zweiten Leitungstyps, die über dem Siliziumsubstrat gebildet ist; eine Vielzahl von Foto­ diodenbereichen, die in der ersten Wanne gleichmäßig von­ einander beabstandet und tief und weit ausgebildet sind; mehrere zweite Wannen des zweiten Leitungstyps, die in der ersten Wanne gebildet sind, von denen jede zweite Wanne sich mit einem jeweils entsprechenden Fotodiodenbereich und mit einem diesem Fotodiodenbereich vorangehenden Foto­ diodenbereich überlappt; eine Vielzahl vertikaler CCD- Kanalbereiche (VCCD) des ersten Leitungstyps, die jeweils in den zweiten Wannen ausgebildet sind; eine Vielzahl von Transfergatekanalbereichen des zweiten Leitungstyps, die jeweils in jeder der zweiten Wannen des zweiten Lei­ tungstyps zwischen jedem Fotodiodenbereich und jedem entsprechenden VCCD-Kanalbereich gebildet sind; eine Vielzahl von Kanalstopbereichen des zweiten Leitungstyps, die jeweils in den zweiten Wannen gebildet sind und die zur Isolation jedes entsprechenden VCCD-Kanalbereichs gegenüber dem jeweils entsprechenden, vorangehenden Fotodiodenbereich eingerichtet sind; eine Vielzahl von Verunreinigungs­ bereichen des zweiten Leitungstyps, die jeweils unter den Oberflächen der Fotodiodenbereiche gebildet sind; einen dünnen Isolierfilm, der über der gesamten freiliegenden Oberfläche der resultierenden Struktur gebildet ist; eine Vielzahl von Transfergates, die in dem dünnen Isolierfilm gebildet und jeweils über den zweiten Wannen angeordnet sind; eine Isolierfilmzwischenlage, die auf dem dünnen Isolierfilm gebildet ist, um die Transfergateelektroden zu bedecken; und einen Lichtabschirmfilm, der über der ge­ samten freiliegenden Oberfläche der sich ergebenden Struktur mit Ausnahme der jeweils über den Fotodiodenbereichen lie­ genden Bereich gebildet ist. Bevorzugt ist der erste Lei­ tungstyp der n-Leitungstyp und der zweite Leitungstyp der p-Leitungstyp.

Die obigen Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung der Aus­ führungsarten unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, die zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht des bereits beschriebenen, im Interlace betriebenen, bekannten CCD-Festkörper­ bildsensors;

Fig. 2 ein Diagramm der Potentialverteilung längs der Linie A-A′ von Fig. 1 in der Integrationsbetriebsart;

Fig. 3 ein Diagramm der Potentialverteilung längs der Linie A-A′ von Fig. 1 in der Auslesebetriebsart;

Fig. 4 ein Diagramm der Potentialverteilung längs der Linie B-B′ von Fig. 1 in der Auslesebetriebsart;

Fig. 5 eine Schnittansicht des oben bereits be­ schriebenen, bekannten Festkörperbildsensors, der eine verbesserte Überstrahlungscharakteristik;

Fig. 6 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen CCD-Festkörperbildsensors;

Fig. 7 ein Diagramm der Potentialverteilung längs der Linie C-C′ von Fig. 6 in der Integrationsbetriebsart;

Fig. 8 ein Diagramm der Potentialverteilung längs der Linie C-C′ von Fig. 1 in der Auslesebetriebsart;

Fig. 9 ein Diagramm, das eine simulierte Potential­ verteilung zwischen einem Fotodiodenbereich und einem VCCD= Kanalbereich des erfindungsgemäßen Festkörperbildsensors zeigt, wenn ein Transfergate ausgeschaltet ist;

Fig. 10 ein Diagramm, das eine simulierte Potential­ verteilung zwischen einem Fotodiodenbereich und einem VCCD Kanalbereich des erfindungsgemäßen Festkörperbildsensors zeigt, wenn ein Transfergate eingeschaltet ist; und die Fig. 11a bis 11i Schnittdarstellungen, die jeweils ein verfahren zur Herstellung des CCD-Festkörper­ bildsensors von Fig. 6 veranschaulichen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 6 ist die Darstellung eines Schnitts durch einen CCD- Festkörperbildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung.

Wie Fig. 6 zeigt, weist der CCD-Festkörperbildsensor ein n- Substrat 31, eine im n-Substrat 31 gebildete p-Wanne 32 und mehrere n-Fotodiodenbereiche 35 auf. In Fig. 6 ist ledig­ lich einer der n-Fotodiodenbereiche 35 gezeigt.

Jeder n-Fotodiodenbereich 35 besteht aus einer Fotodiode 35-1 relativ geringer Konzentration, einer Fotodiode 35-2 mittlerer Konzentration und einer Fotodiode 35-3 relativ hoher Konzentration. Anders gesagt, hat der n-Foto­ diodenbereich 35 eine Konzentrationsverteilung bei der die Verunreinigungskonzentration über den n-Fotodiodenbereich 35 nicht gleichförmig sondern allmählich von einem VCCD- Kanalbereich verringert ist, welcher nachstehend beschrieben wird.

Oberhalb jedes n-Fotodiodenbereichs 35 ist eine p⁺⁺-Lage 45 hoher Konzentration ausgebildet, die zur Verringerung der Oberflächenstörungen des n-Fotodiodenbereichs 35 dient.

Der CCD-Festkörperbildsensor weist außerdem eine zweite p- Wanne 39 auf, die zwischen benachbarten n-Foto­ diodenbereichen gebildet ist, genauer zwischen der Foto­ diode 35-3 mit hoher Konzentration des einen n-Fotodioden­ bereichs 35 und zwischen der gering konzentrierten Foto­ diode 35′-1 des anderen n-Fotodiodenbereichs 35′, der vor dem einen n-Fotodiodenbereich 35 liegt, so daß die zweite p-Wanne 39 die Fotodioden 35-3 und 35i-1 überlappt. In der zweiten p-Wanne 39 sind der n-VCCD-Kanalbereich 43, ein p- Transfergatekanal 39′ und ein p-Kanalstopbereich 41 vor­ gesehen.

Der p-Kanalstopbereich 41 dient zur Isolierung der gering konzentrierten Fotodiode 35′-1 des vorangehenden n-Foto­ diodenbereichs 35′ gegenüber dem n-VCCD-Kanalbereich 43.

Der p-Transfergatekanalbereich 39′ ist zwischen der hoch­ konzentrierten Photodiode 35-3 des n-Fotodiodenbereichs 35 und dem n-VCCD-Kanalbereich 43 gebildet.

Ein dünner Isolierfilm 33, beispielsweise ein Oxidfilm, ist über der gesamten Oberfläche des Substrats 31 geformt. Auf dem Isolierfilm 33 ist ein Transfergate 44 ausgebildet, das sich über dem p-Kanalstopbereich 41, dem n-VCCD-Kanal­ bereich 43 und dem p-Transfergatekanal 39 erstreckt. Eine Lichtabschirmlage 47, die aus einem geeigneten Metall besteht, ist über der gesamten Oberfläche der sich ergebenden Struktur mit der Ausnahme des über jedem n-Foto­ diodenbereich 35 bzw. 351 liegenden Abschnitts ausgebildet. Zwischen der Lichtabschirmlage 47 und dem Transfergate 44 ist ein Schnittstellenisolierfilm 46 so ausgebildet, daß er das Transfergate 44 gegen die Lichtabschirmlage 47 iso­ liert.

Bei dem Festkörperbildsensor, der die oben genannte Struktur hat, haben die zweite p-Wanne 39 und die p⁺⁺-Lage 45 jeweils höhere Verunreinigungsionenkonzentrationen als der entsprechende Fotodiodenbereich 35 bzw. 35′. Auf der anderen Seite hat der p-Transfergatekanalbereich 39′ eine kleinere Verunreinigungsionenkonzentration als der Kanal­ stopbereich 41, während der Fotodiodenbereich 35 bzw. 35′, eine höhere Konzentration als die erste p-Wanne 32 hat.

Nachstehend wird anhand der Fig. 7 und 8 der Betrieb des CCD-Festkörperbildsensors mit der oben beschriebenen Struk­ tur erläutert.

Zunächst wird die Integrationsbetriebsart des CCD-Fest­ körperbildsensors in Verbindung mit Fig. 7 beschrieben, die eine Potentialverteilung längs der Linie C-C′ in Fig. 6 veranschaulicht.

In der Integrationsbetriebsart hat jeder Fotodiodenbereich 35 an allen seinen Abschnitten unterschiedliche Pinch-off- Potentiale, da seine Konzentrationsverteilung unterschied­ liche Verunreinigungsionenkonzentrationen der Abschnitte des Fotodiodenbereichs 35 verursacht, wie Fig. 7 zeigt. Als Ergebnis hat der Transfergatekanalbereich 39 einen Spitzen­ potentialwert, der zu einem Bauch bis zu einer Tiefe von beispielsweise 1,2 bis 1,7 µm ausgebildet ist. Dadurch erreicht man eine vorzügliche Intensität im Rotlicht­ wellenlängenband.

Da der Fotodiodenbereich 35 die sich stufenweise ver­ ändernde Potentialverteilung aufweist, wird eine geringe Ladungsmenge zunächst zu der am höchsten konzentrierten Fotodiode 35-3 des Fotodiodenbereichs 35 hinbewegt und dort gesammelt. Infolgedessen können die Ladungen einfach zum VCCD-Kanalbereich 43 hin ausgelesen werden, wenn das Transfergate 44 eingeschaltet wird.

Nun wird die Auslesebetriebsart des CCD-Festkörperbild­ sensors beschrieben.

Beim Einschalten des Transfergates 44 durch eine angelegte Spannung von etwa 15 V hat der Festkörperbildsensor eine Potentialverteilung, wie sie Fig. 8 zeigt. Zu dieser Zeit werden die im n-Fotodiodenbereich 35 angesammelten Ladungen zum VCCD-Kanalbereich 43 durch den am Bauch gelegenen Transfergate-Kanalbereich 39′ geleitet und dann ausgelesen.

Da die angesammelten Signalladungen nicht zur Oberfläche des Transfergatekanalbereichs 39′ sondern aufgrund der Anwesenheit der zweiten, hochkonzentrierten p-Wanne 39 zum Bauch hin bewegt werden, läßt sich das Auslesen der Signal­ ladungen unbeeinflußt durch irgendwelche Störungen durch­ führen. Als Ergebnis hat der Festkörperbildsensor einen guten Signalverzögerungskennwert.

Obwohl sich im Fotodiodenbereich 35 Überschußladungen befinden, ist ein seitlicher Diffusionseffekt durch die überschüssigen Ladungen im Vergleich mit bekannten Strukturen aufgrund der Tatsache gering, daß der Foto­ diodenbereich 35 des Festkörperbildsensors der vorliegenden Erfindung weit und tief ausgebildet ist, und dadurch einen breiteren Ladungsweg zur Abfuhr der überschüssigen Ladungen zum n-Substratbereich 31 erzielt. Infolgedessen sind die Überstrahlungseigenschaften verbessert.

Die Fig. 9 und 10 veranschaulichen jeweils simulierte Potentialverteilungen des Fotodiodenbereichs 35 und des VCCD-Kanalbereichs 43 des erfindungsgemäßen Festkörper­ bildsensors.

Fig. 9 zeigt eine Potentialverteilungsdiagramm in einem Fall, wo das Transfergate 44 durch eine daran angelegte Spannung von 0 V ausgeschaltet ist. Auf der anderen Seite ist Fig. 10 ein Potentialverteilungsdiagramm für den Fall, daß das Transfergate 44 durch eine daran angelegte Spannung von 15 V eingeschaltet ist.

Die Fig. 11a bis 11i sind Schnittansichten, die jeweils ein verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Fest­ körperbildsensors veranschaulichen. Strukturelemente, die mit denen in Fig. 6 übereinstimmen, sind in den Fig. 11a bis 11i mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.

Zunächst wird eine p-Wanne 32 in einer Dicke von 3 bis 6 µm über einem n-Siliziumsubstrat 31 gebildet, wie Fig. 11a zeigt. Die Ausbildung der ersten p-Wanne 32 wird durch die Bildung einer p-Epitaxielage über dem n-Silizumsubstrat 31 oder durch Implantieren von p-Verunreinigungsionen in das n-Siliziumsubstrat 31 und darauffolgende thermische Dif­ fusion der implantierten Verunreinigungsionen erreicht.

Das n-Siliziumsubstrat 31 hat einen Widerstand von 10 bis 100 Ω·cm.

Danach wird ein Oxidfilm 33 geringer Dicke als Isolierfilm über der ersten p-Wanne 32 geformt. Als Isolierfilm kann ein Nitridfilm statt des Oxidfilms verwendet werden.

Die Fig. 11b bis 11d sind Schnittansichten, die jeweils die Ausbildung von n-Fotodioden 35 veranschaulichen.

Wie Fig. 11b zeigt, wird der Oxidfilm 33 mit einem Foto­ resistfilm 34 bedeckt, der dann zur Ausbildung frei­ liegender Abschnitte des Oxidfilms gemustert wird, auf denen jeweils Fotodioden ausgebildet werden. Danach werden n-Verunreinigungsionen in die erste p-Wanne 32 durch die freiliegenden Abschnitte des Oxidfilms 33 implantiert und bilden n-Fotodioden 35-1 relativ geringer Konzentration.

Der verbleibende Fotoresistfilm 34 wird dann abgelöst, wie Fig. 11c zeigt. Die gesamte freiliegende Oberfläche der sich ergebenden Struktur wird dann mit einem Fotoresistfilm 36 bedeckt. Der Fotoresistfilm 36 wird dann gemustert, um partiell den Oxidfilm 33 an den Bereichen freizulegen, die jeweils über den n-Fotodioden 35-1 geringer Konzentration liegen.

Durch die freiliegenden Abschnitte des Oxidfilms 33 werden n-Verunreinigungsionen in die geringkonzentrierten n-Foto­ dioden 35-1 implantiert, um auf diese Weise n-Fotodioden 35-2 auszubilden, die eine mittlere Konzentration haben, welche höher ist als die niedrige Konzentration der n-Foto­ dioden 35-1.

Dann wird, wie Fig. 11d zeigt, der verbliebene Fotoresist­ film 36 entfernt. Die gesamte freiliegende Oberfläche der sich ergebenden Struktur wird mit einem Fotoresistfilm 37 bedeckt. Der Fotoresistfilm 37 wird gemustert, um den Oxidfilm 33 teilweise an den Abschnitten freizulegen, die jeweils über den n-Fotodioden 35-2 mittlerer Konzentration liegen.

Durch die freiliegenden Abschnitte des Oxidfilms 33 werden n-Verunreinigungsionen in die n-Fotodioden 35-2 mittlerer Konzentration implantiert, wodurch jeweils n-Fotodioden 35- 3 hoher Konzentration gebildet werden, deren Konzentration im Vergleich mit der mittleren Konzentration der n-Foto­ dioden 35-2 höher ist.

Auf diese Weise hat jeder n-Fotodiodenbereich 35 eine über alle seine Abschnitte stufenweise variierte Konzentrations­ verteilung. Wie oben erwähnt, kann dies durch die Im­ plantation von n-Verunreinigungsionen in jeden n-Foto­ diodenbereich 35 in verschiedenen, jeweils den Abschnitten des n-Fotodiodenbereichs 35 entsprechenden Konzentrationen mittels selektiver Fotoätzprozesse und darauffolgender thermischer Diffusion der implantierten n-Verunreinigungs­ ionen ausgeführt werden.

Jeder Fotodiodenbereich 35 hat eine Sperrschichttiefe von 1,5 bis 3,5 µm und eine Verunreinigungsionenkonzentration, die höher ist als die der ersten p-Wanne 32.

Darauffolgend wird der restliche Fotoresistfilm 37 ent­ fernt. Die gesamte freiliegende Oberfläche der nun vor­ liegenden Struktur wird mit einem weiteren Fotoresistfilm 38 bedeckt, wie in Fig. 11e gezeigt ist. Dieser Fotoresist­ film wird dann gemustert, um partiell den Oxidfilm 33 an den Abschnitten freizulegen, die jeweils einen zwischen be­ nachbarten Fotodiodenbereichen liegenden Abschnitt und Abschnitte enthalten, die an einander gegenüberliegenden seitlichen Enden der benachbarten Fotodiodenbereiche 35 vorgesehen sind.

Durch die freiliegenden Abschnitte des Oxidfilms 33 werden p-Verunreinigungsionen in hoher Konzentration implantiert und dadurch jeweils zweite p-Wannen 39 gebildet.

Jede zweite p-Wanne 39 liegt zwischen der hochkonzen­ trierten n-Fotodiode 35-3 des jeweils entsprechenden Fotodiodenbereichs 35 und der gering konzentrierten n- Fotodiode 35′-1 des neben dem Fotodiodenbereich 35 liegenden Fotodiodenbereichs 35′ so, daß sich die zweite p- Wanne 39 mit den Fotodioden 35-3 und 35′-1 überlappt.

Jede zweite p-Wanne 39 hat eine höhere Verunreinigungskonzentration als der n-Fotodiodenbereich 35 und eine Sperr­ schichttiefe von 1,0 bis 1,5 µm.

Dann wird der restliche Fotoresistfilm 38 entfernt. Die gesamte freiliegende Oberfläche der resultierenden Struktur wird mit einem weiteren Fotoresistfilm 40 bedeckt, wie die Fig. 11f zeigt. Dieser Fotoresistfilm 40 wird dann ge­ mustert und legt partiell den Oxidfilm 33 an Abschnitten frei, die jeweils über den die niedrig konzentrierten Fotodioden 35-1 überlappenden Teile der zweiten p-Wannen 39 liegen.

Durch die freiliegenden Abschnitte des Oxidfilms 33 werden p-Verunreinigungsionen in die zweite p-Wanne 39 implantiert und bilden dadurch hochkonzentrierte p-Kanalstopbereiche 41 in den zweiten p-Wannen 39.

Danach wird der verbleibende Fotoresistfilm 40 entfernt, wie die Fig. 11g zeigt. Dann wird die gesamte freiliegende Oberfläche der sich ergebenden Struktur mit einem weiteren Fotoresistfilm 42 bedeckt. Dieser Fotoresistfilm 42 wird anschließend gemustert, so daß er partiell den Oxidfilm 33 an Stellen freilegt, die jeweils an die zweiten p-Wannen 39 angrenzen. Durch die freiliegenden Abschnitte des Oxidfilms 33 werden n-Verunreinigungsionen in die zweiten p-Wannen 39 implantiert, wodurch jeweils in den zweiten p-Wannen VCCD- Kanalbereiche 42 angrenzend an die Kanalstopbereiche 41 gebildet werden.

Jeder VCCD-Kanalbereich 41 ist von der niedrigkonzen­ trierten Fotodiode 35′-1 jedes vorangehenden Fotodioden­ bereichs 35′ durch den jeweils entsprechenden hochkon­ zentrierten p-Kanalstopbereich 41 isoliert. Jeder VCCD- Kanalbereich 41 hat eine höhere Verunreinigungsionenkonzentration als die zweiten p-Wannen 39 und eine Sperr­ schichttiefe von 0,2 bis 1,2 µm.

Über der gesamten freiliegenden Oberfläche der resul­ tierenden Struktur wird, wie in Fig. 11h gezeigt, ein mit Verunreinigungsionen dotierter polykristalliner Silizium­ film 44 gebildet. Dann wird der polykristalline Silizium­ film 44 fotogeätzt zur Bildung von Transfergateelektroden 44, die jeweils über den zweiten p-Wannen 39 liegen.

Unter Verwendung der Transfergateelektroden 44 als selbst­ ausrichtende Masken, werden p-Verunreinigungsionen in die Fotodiodenbereiche 35 implantiert und dadurch jeweils p⁺⁺- Lagen 45 ausgebildet.

Jede p⁺⁺-Lage 45 liegt unter der Oberfläche des jeweils korrespondierenden Fotodiodenbereichs 35. Jede p⁺⁺-Lage 45 hat eine Sperrschichttiefe von 0,1 bis 0,2 µm und eine 10 bis 100 mal höhere Konzentration der Verunreinigungsionen als die Fotodiodenbereiche 35.

Als Resultat der Ionenimplantation wird ein eingegrabener p-Transfergatekanal 39′ jeweils zwischen den VCCD-Kanal­ bereichen 43 und den entsprechenden Fotodiodenbereichen 35 gebildet. Die Verunreinigungsionenkonzentration dieses ein gegrabenen p-Transfergatekanalbereichs 39′ ist kleiner als die der zweiten p-Wanne 39 wegen der Gegendotierung des VCCD-Kanalbereichs 43 in der zweiten p-Wanne 39 und der durch die seitliche Diffusion der niedrigkonzentrierten Fotodiode 35-1 des Fotodiodenbereichs 35 erreichten Gegen­ dotierung.

Dann wird die gesamte frei liegende Oberfläche der re­ sultierenden Struktur mit einem Oxidfilm als Isolierfilm­ zwischenlage 46 bedeckt, wie in Fig. 11i gezeigt ist. Diese Isolierfilmzwischenlage 46 wird dann gemustert, um die Transfergateelektroden 44 zu bedecken.

Danach wird eine Metallschicht über die gesamte frei­ liegende Oberfläche der resultierenden Struktur gelagert und dann zur Ausbildung von Lichtabschirmfilmen 47 und zum partiellen Freilegen des Oxidfilms 33 an dessen, über den Fotodiodenbereichen 35 liegenden Abschnitten gemustert.

Jede Isolierfilmzwischenlage 46 dient zur Isolierung der entsprechenden Transfergate-Elektrode gegenüber dem ent­ sprechenden Lichtabschirmfilm 47. Die Lichtabschirmfilme 47 schirmen alle Lichtstrahlen ab, die nicht auf die Photo­ diodenbereiche 35 fallen.

Durch die vorliegenden Erfindung werden folgende vorteil­ hafte Wirkungen erzielt.

Da der Festkörperbildsensor im Vergleich mit dem bekannten Festkörperbildsensor tiefere und weitere Fotodiodenbereiche hat, ist seine Empfindlichkeit für Licht im roten Wellen­ längenbereich erhöht. Außerdem ist der durch die seitliche Diffusion bewirkte dreidimensionale Effekt verringert. Dies verbessert die Überstrahlungseigenschaften.

Außerdem sind die Diffusions-Nachzieheigenschaften ver­ bessert, weil die VCCD-Kanalbereiche als vertikale Über­ tragungskanäle jeweils in den tassenförmigen zweiten p- Wannen vorgesehen sind. Eine Verbesserung des Störkennwerts kann deshalb erreicht werden, weil die Signalladungen zu dem Bauch hin bewegt werden, wenn die Transfergates einge­ schaltet werden.

Zusätzlich läßt sich in der Auslesebetriebsart ein guter Bildverzögerungskennwert erreichen, weil die Kon­ zentrationsverteilung aller Abschnitte jedes n- Fotodiodenbereichs 35 stufenweise variiert und die meisten Signalladungen in der hochkonzentrierten Fotodiode des nächst dem VCCD-Kanalbereich liegenden n-Fotodiodenbereichs angesammelt sind.

Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungsarten beschrieben. Es ist jedoch allen mit dieser Technik vertrauten deutlich, daß die Erfindung verschiedene Ab­ änderungen und äquivalente Lösungen erlaubt, ohne daß von dem durch die beiliegenden Patentansprüche angegebenen Schutzbereich abgewichen wird.

Claims (13)

1. CCD-Festkörperbildsensor, der aufweist:

• - ein Siliziumsubstrat (31) eines ersten Leitungstyps;
• - eine erste Wanne (32) eines zweiten Leitungstyps, die über dem Siliziumsubstrat (31) gebildet ist;
• - eine Vielzahl von Fotodiodenbereichen (35, 35′), die gleichmäßig beabstandet voneinander in der ersten Wanne (32) tief und weit ausgebildet sind;
• - eine Vielzahl von jeweils in der ersten Wanne (32) ausgebildeten zweiten Wannen (39), die sich mit jeweils einem entsprechenden Fotodiodenbereich (35-3) und mit einem dem entsprechenden Fotodioden­ bereich (35) vorangehenden Fotodiodenbereich (35′-1) überlappen;
• - eine Vielzahl vertikaler CCD-Kanalbereiche (VCCD), (43) des ersten Leitungstyps, die jeweils in den zweiten Wannen (39) gebildet sind;
• - eine Vielzahl von Transfergatekanalbereichen (39′) dem zweiten Leitungstyps, die jeweils in jeder der zweiten Wannen des zweiten Leitungstyps zwischen jedem Fotodiodenbereich und jedem entsprechenden VCCD-Kanal­ bereich ausgebildet sind;

- eine Vielzahl von Kanalstopbereichen des zweiten Leitungstyps, die jeweils in den zweiten Wannen (39) gebildet sind und die zur Isolation jedes ent­ sprechenden VCCD-Kanalbereichs gegenüber dem jeweils entsprechenden vorangehenden Fotodiodenbereich (35′) eingerichtet sind;

• - eine Vielzahl von Verunreinigungsbereichen (45) des zweiten Leitungstyps, die jeweils unter den Ober­ flächen der Fotodiodenbereiche (35, 35′) gebildet sind;
• - einen dünnen Isolierfilm (33), der über der gesamten freiliegenden Oberfläche der resultierenden Struktur gebildet ist;
• - eine Vielzahl von auf dem dünnen Isolierfilm (33) aus­ gebildeten, jeweils über den zweiten Wannen (39) liegenden Transfergates (39′, 44);
• - eine Isolierfilmzwischenlage (46), die auf dem dünnen Isolierfilm gebildet ist, um die Transfergateelektroden (44) zu bedecken; und
• - einen Lichtabschirmfilm (47), der über der gesamten freiliegenden Oberfläche der resultierenden Struktur mit Ausnahme der jeweils über den Fotodiodenbereichen (35, 35′) liegenden Abschnitte gebildet ist.

2. CCD-Festkörperbildsensor nach Anspruch 1, bei dem der erste Leitungstyp der n-Leitungstyp und der zweite Lei­ tungstyp der p-Leitungstyp sind.

3. CCD-Festkörperbildsensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jeder Fotodiodenbereich aus einer Fotodiode (35-1) verhältnismäßig geringer Konzentration, einer Fotodiode (35-2) mittlerer Konzentration und einer Fotodiode (35-3) relativ hoher Konzentration so gebildet ist, daß er eine Konzentrationsverteilung aufweist, bei der die Verunreinigungskonzentration vom entsprechenden VCCD- Kanalbereich (43) weg allmählich reduziert ist.

4. CCD-Festkörperbildsensor nach irgendeinem der Ansprüche 1-3, bei dem jeder der Fotodiodenbereiche eine Sperrschichttiefe von etwa 1,5 µm bis etwa 3,5 µm aufweist.

5. CCD-Festkörperbildsensor nach irgendeinem der Ansprüche 1-4, bei dem jede zweite Wanne (39) ein Verun­ reinigungsbereich ist, dessen Konzentration über der eines jeden entsprechenden n-Fotodiodenbereichs liegt.

6. CCD-Festkörperbildsensor nach irgendeinem der An­ sprüche 1-5, bei dem jede zweite Wanne (39) eine Sperrschichttiefe von etwa 0,2 µm bis etwa 1,2 µm hat.

7. CCD-Festkörperbildsensor nach irgendeinem der Ansprüche 1-6, wobei das Siliziumsubstrat einen Widerstand von etwa 10 Ω·cm bis etwa 100 Ω·cm hat.

8. CCD-Festkörperbildsensor nach irgendeinem der Ansprüche 1-7, bei dem die erste Wanne (32) eine Sperr­ schichttiefe von etwa 3 µm bis etwa 6 µm hat.

9. CCD-Festkörperbildsensor nach irgendeinem der An­ sprüche 1-8, bei dem jeder Transfergatekanalbereich (39′) eine Verunreinigungsionenkonzentration unter der einer jeden entsprechenden zweiten Wanne (39) hat.

10. CCD-Festkörperbildsensor nach irgendeinem der Ansprüche 1-9, bei dem der dünne Isolierfilm aus einem Oxidfilm oder Nitridfilm besteht.

11. CCD-Festkörperbildsensor nach einem der Ansprüche 1- 10, bei dem die Sperrschichttiefe der Verunreinigungs­ bereiche 0,1 µm bis etwa 0,2 µm ist, und ihre Verun­ reinigungsionenkonzentration 10 bis 100 mal höher ist als diejenige eines jeden entsprechenden Fotodiodenbereichs.

12. CCD-Festkörperbildsensor nach einem der Ansprüche 1-11, bei dem jede Transfergateelektrode (44) aus einem mit Verunreinigungen dotierten, polykristallinen Siliziumfilm besteht.