DE4417159A1 - CCD-Festkörperbildaufnehmer mit Überlaufdrainstruktur - Google Patents
CCD-Festkörperbildaufnehmer mit ÜberlaufdrainstrukturInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen ladungsgekoppelten (CCD) Festkörperbild
aufnehmer und im besonderen auf einen CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlauf
drain (OFD), der ungefähr an der Oberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet ist.
Ein Festkörperbildaufnehmerbauelement bildet einen Aufnahmebereich, in dem ein Festkörper
element das eine photoelektrische Umwandlungsfunktion und eine Signalakkumulierungs
funktion hat, als ein Pixel verwendet wird. Die Signalladung, die in jedem Pixel akkumuliert
wird, wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, so daß externe Bilddaten in ein elektrisches
Signal umgewandelt werden können.
Entsprechend einem Verfahren (Abtastverfahren), um das Signal jedes Pixels zu lesen, kann
bei dem Bauelement grob zwischen einem Festkörperbildaufnehmer, der ein X-Y Adressiersy
stem verwendet, und einem, der ein Signalübertragungssystem verwendet, unterschieden wer
den. Der Festkörperbildaufnehmer, der das X-Y Adressiersystem verwendet, liest wahlweise
die Signalladung jedes Pixels aus, um eine Ausgabe zu erhalten, wobei ein MOS-Festkörper
bildaufnehmer im Handel erhältlich ist. Der Festkörperbildaufnehmer, der das Signalübertra
gungssystem verwendet, benützt das Signalübertragungsverfahren, das die Signalladung jedes
Pixels in ein analoges Signal umwandelt und das analoge Signal gleichzeitig zu den von dem
Pixel verschiedenen Elementen überträgt und das Signal seriell ausliest. Ein CCD-Festkörper
bildaufnehmer ist kennzeichnend für das Bauelement, das das Signalübertragungsverfahren
verwendet.
Entsprechend dem Übertragungsverfahren kann der CCD-Festkörperbildaufnehmer weiter
in zwei Arten unterteilt werden. Zum ersten ist ein CCD-Festkörperbildaufnehmer, der ein
Bildübertragungssystem verwendet, aus einem Bildabtastbereich, um einfallendes Licht in
eine Signalladung umzuwandeln, einem Akkumulator, um die Signalladung zu akkumulieren,
und einem vertikalen Übertragungs-CCD gebildet, um die Signalladung vertikal zu befördern.
Zum zweiten ist ein CCD-Festkörperbildaufnehmer, der ein Zwischenzeilenübertragungssy
stem verwendet, aus einer Photodiode, um eine Signalladung in Übereinstimmung mit der
Stärke des einfallenden Lichts zu erzeugen, einem vertikalen Übertragungs-CCD, um die Sig
nalladung vertikal zu befördern, einem horizontalen Übertragungs-CCD, um die von dem
vertikalen Übertragungs-CCD beförderte Signalladung horizontal zu befördern, und einem
Ausgabeschaltungsteil gebildet, um die von dem horizontalen Übertragungs-CCD beförderte
Signalladung zu detektieren.
Fig. 1 ist eine Layout-Darstellung eines konventionellen CCD-Festkörperbildaufnehmers und
zeigt einen Teil davon, der die Verwendung des Zwischenzeilenübertragungssystems verdeut
licht.
Eine Maskenstruktur 10 ist für das Ausbilden einer photoelektrischen Umwandlungszone vor
gesehen, d. h. einer Photodiode. Eine Maskenstruktur 11 ist für das Ausbilden einer Ka
nalzone vorgesehen, die das vertikale Übertragungs-CCD mitbildet und wird zwischen die
Maskenstrukturen 10 eingeschoben. Eine Maskenstruktur 13 ist für das Ausbilden einer er
sten Übertragungselektrode vorgesehen, die das vertikale Übertragungs-CCD mitbildet. Eine
Maskenstruktur 14 ist für das Ausbilden einer zweiten Übertragungselektrode vorgesehen, die
das vertikale Übertragungs-CCD mitbildet. Eine Maskenstruktur 12 ist für das Ausbilden des
Übertragungskanals vorgesehen, der die Signalladung einer photoelektrischen Umwandlungs
zone zu dem vertikalen Übertragungs-CCD überträgt, und ist zwischen den Maskenstrukturen
10 und 11 angeordnet, um mit der Maskenstruktur 13 zu überlappen. Die Maskenstrukturen
für das Ausbilden des horizontalen Übertragungs-CCD und des Ausgabeschaltungsteils um
die Pixelzellenmatrix sind hier nicht gezeigt.
Der nichtabschirmende Film, der im nachfolgenden gezeigt werden wird, ist in Fig. 1 nicht
gezeigt.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der Fig. 1.
Der CCD-Festkörperbildaufnehmer, der das konventionelle Zwischenzeilenübertragungssy
stem verwendet, wird in bezug auf Fig. 1 und Fig. 2 erklärt werden.
Wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist, ist der CCD-Festkörperbildaufnehmer, der ein Zwischenzei
lenübertragungssystem verwendet, zunächst aus einer p-Wanne 38, die in einem n-Halbleiter-
Substrat 37 ausgebildet ist, aus n-Photodioden 40, die in der p-Wanne ausgebildet sind und
eine Signalladung akkumulieren, die durch hier einfallendes Licht angeregt wurde, einer n-
Kanalzone 41 des vertikalen Übertragungs-CCD, um die von der Photodiode aus zu dem
horizontalen Übertragungs-CCD beförderte Signalladung zu übertragen und die vertikal zwi
schen den Photodioden ausgebildet ist (verwiesen sei auf die Maskenstruktur 11 der Fig. 1),
einem Übertragungskanal 42, um die in der Photodiode akkumulierte Signalladung zu der n-
Kanalzone des vertikalen Übertragungs-CCD zu übertragen, ersten Übertragungselektroden
43 des vertikalen Übertragungs-CCD, an die ein Puls zur Übertragung der in einer Photodiode
akkumulierten Signalladung zu dem vertikalen Übertragungs-CCD und ein Puls zur nachfol
genden Übertragung der von der Photodiode übertragenen Signalladung zu dem horizontalen
Übertragungs-CCD angelegt werden, einer zweiten Übertragungselektrode (verwiesen sei auf
die Maskenstruktur 14 der Fig. 1) des vertikalen Übertragungs-CCD, an die der Puls für die
nachfolgende Übertragung der von der Photodiode übertragenen Signalladung zu dem hori
zontalen Übertragungs-CCD angelegt wird, einem horizontalen Übertragungs-CCD (nicht
gezeigt), das in horizontaler Richtung und um eine Pixelzellenmatrix ausgebildet ist und das
die von einer Vielzahl von vertikalen Übertragungs-CCDs übertragenen Signalladungen zu
einem Ausgabeteil überträgt, und einem Ausgabeteil (nicht gezeigt) gebildet, um die von dem
horizontalen Übertragungs-CCD übertragene Signalladung auszugeben.
Bezogen auf Fig. 2 bezeichnet die Referenznummer 36 eine Kanalsperrschicht, um jede Zelle
abzutrennen, 45 bezeichnet einen isolierenden Film und 46 einen lichtabschirmenden Film.
Die Arbeitsweise eines oben angeführten CCD-Festkörperbildaufnehmers, der das Zwischen
zeilenübertragungssystem verwendet, kann wie folgt beschrieben werden.
Wenn das sichtbare Licht die Photodiode 40 bestrahlt, wird eine Signalladung, die durch einen
Photoneneffekt erzeugt wird, in der Photodiode akkumuliert. Dann steht die akkumulierte
Signalladung im Verhältnis zu der Stärke des eingestrahlten Lichts. Aus diesem Grund ändert
sich der Betrag der akkumulierten Signalladung abhängig von der Stärke des einfallenden
Lichts. Dies ist der Vorgang, um ein optisches Signal gegebener Stärke in ein elektrisches
Signal mit bestimmter Größe umzuwandeln.
Das auf eine Photodiode eingestrahlte optische Signal wird akkumuliert, nachdem es über
den oben beschriebenen Vorgang in eine elektrische Signalladung umgewandelt worden ist.
Daraufhin wird während einer Feldverschiebungszeitperiode die Signalladung zu der Kanal
zone 41 über den Übertragungskanal 42 übertragen, der zwischen der Photodiode 40 und der
Kanalzone 41 eines vertikalen Übertragungs-CCD ausgebildet ist.
Die zu der Kanalzone 41 übertragene Signalladung wird dann durch den Taktpuls, der an
eine Vielzahl von Übertragungselektroden angelegt wird, d. h. erste Übertragungselektroden
43 und eine zweite Übertragungselektrode (Maskenstruktur 14, gezeigt in Fig. 1), die auf
der Kanalzone 41 eines vertikalen Übertragungs-CCDs ausgebildet sind, in eine Richtung
befördert, in der das horizontale Übertragungs-CCD ausgebildet ist. Die Signalladung wird
dann zu einem horizontalen Übertragungs-CCD (nicht gezeigt) übertragen, das im Ende der
Kanalzone 11 des vertikalen Übertragungs-CCD ausgebildet ist.
Die zu dem horizontalen Übertragungs-CCD übertragene Signalladung wird nachfolgend hori
zontal zu einem Ausgabeschaltungsteil übertragen, entsprechend demselben Prinzip, das in
dem vertikalen Übertragungs-CCD angewandt wird, und als Spannungsniveau detektiert, um
an einen externen Teil als Signalausgabe ausgegeben zu werden.
In dem Festkörperbildaufnehmer besteht jedoch eine Grenze bezüglich des Betrags der Si
gnalladung, die in einem Potentialtopf, entsprechend jeder Photodiode, akkumuliert werden
kann.
Wenn daher sichtbares Licht mit hoher Beleuchtungsstärke auf den Teil der Licht aufnehmen
den Oberfläche des Festkörperbildaufnehmers eingestrahlt wird, überschreitet die im Verhält
nis zu der Stärke des sichtbaren Lichts erzeugte Signalladung die Akkumulationskapazität des
Potentialtopfs und fließt in die Umgebung ab.
Wenn die Signalladung in jede umgebende Photodiode fließt, tritt das Phänomen der Über
strahlung, daß das Bild eines hell erleuchteten Teils mehrfach vergrößert ist, auf.
Wenn die Signalladung in die angrenzenden vertikalen und horizontalen Übertragungs-CCDs
fließt, tritt das Phänomen des Verschmierens auf.
Die zusätzliche Signalladung muß daher periodisch zu einer externen Schaltung abgeführt
werden, bevor sie in die umgebende Photodiode oder Übertragungs-CCD fließt.
Verschiedene Studien zu einem Verfahren zum Abführen der zusätzlichen Signalladung zu
einer externen Schaltung wurden durchgeführt, seit ein CCD-Festkörperbildaufnehmer, bei
dem der vertikale Überlaufdrain unter einer Photodiode ausgebildet ist, eingeführt wurde
(siehe Eÿi Oda et al., "Blooming Suppression Mechanism for an Interline CCD Image Sensor
with a Vertical Overflow Drain", IEDM 1983, pp. 501-504).
Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die den CCD-Festkörperaufnehmer entsprechend der Fig. 2 zeigt,
der die konventionelle OFD Struktur hat, worin die pnpn strukturierte Überlaufdrainstruktur
ebenfalls gezeigt ist (siehe Junichi Hojo et al., "A 1/3 inch 510(H)*492(V) CCD Image Sensor
with Mirror Image Function", IEEE Trans-electron Device, Vol.38, Nr. 5, May 1991, pp. 954-
959).
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, weist der CCD-Festkörperbildaufnehmer mit der oben beschriebe
nen Überlaufdrainstruktur eine erste p-Wanne 58, die zu der Oberfläche eines n-Halbleiter-
Substrats 57 hin ausgebildet ist und als Schwelle für den Überlauf dient, um so das Überstrah
len zu unterdrücken, und zu der Oberfläche eines n-Halbleiter-Substrats 57 hin ausgebildet
eine n-Photodiode 60, die zu der Oberfläche der ersten Wanne hin ausgebildet ist, um so
die durch einfallendes Licht angeregte Signalladung zu akkumulieren, und eine p⁺-Schicht
59 zur Unterdrückung des Dunkelstroms, die durch das Implantieren von Bor-Ionen in hoher
Konzentration in eine Photodiode gebildet ist, so daß eine Struktur erhalten werden kann,
die vorteilhaft für eine Reduzierung des Dunkelstroms, die Unterdrückung der Überstrahlung
und die Realisierung eines Elektronikverschlusses mit variabler Geschwindigkeit ist, eine n-
Kanalzone 61 eines vertikalen Übertragungs-CCD, um die von einer Photodiode übertragene
Signalladung zu einem horizontalen Übertragungs-CCD zu übertragen, eine zweite p-Wanne
55, die unterhalb der Kanalzone ausgebildet ist, einen Übertragungskanal 62, um die in einer
Photodiode akkumulierte Signalladung zu einer n-Kanalzone eines vertikalen Übertragungs-
CCD zu übertragen, eine Kanalsperrschicht 56, um jede Zelle voneinander abzutrennen, einen
lichtabschirmenden Film 66, der auf einem Halbleitersubstrat in der Zone ausgebildet ist, in
der keine Photodiode ausgebildet ist, eine erste Übertragungselektrode 63, an die ein Puls
zur Übertragung der in einer Photodiode akkumulierten Signalladung zu einem vertikalen
Übertragungs-CCD und ein Puls zur nachfolgenden Übertragung der von der Photodiode
übertragenen Signalladung zu einem horizontalen Übertragungs-CCD angelegt werden, eine
zweite Übertragungselektrode (nicht gezeigt), an die der Puls für die nachfolgende Übertra
gung der von der Photodiode übertragenen Signalladung zu einem horizontalen Übertragungs-
CCD angelegt wird, ein horizontales Übertragungs-CCD (nicht gezeigt), das um eine Pixel
zellenmatrix ausgebildet ist und das die von einer Vielzahl vertikaler Übertragungs-CCDs
übertragene Signalladung zu einem Ausgabeteil überträgt, und eine Ausgabeschaltung (nicht
gezeigt) auf, um die von einem horizontalen Übertragungs-CCD übertragene Signalladung
auszugeben.
Fig. 4 zeigt die Verteilung des elektrischen Potentials entlang der Linie IV-IV der Fig. 3.
Bezogen auf Fig. 3 und Fig. 4 arbeiten ein Überlaufdrain und ein Verschluß des CCD-Festkör
perbildaufnehmers mit konventioneller OFD Struktur wie folgt.
Wenn sichtbares Licht auf eine Photodiode 60 eingestrahlt wird, wird die Signalladung, d. h.
die im Verhältnis zu der einfallenden Lichtenergie angeregten Elektronen, in der Photodiode
akkumuliert. Wenn die in einem Potentialtopf einer Photodiode akkumulierte Signalladung
die Akkumulationskapazität überschreitet, fließt die Signalladung nur zu dem Halbleitersub
strat 57 hin ab, nachdem sie über die Potentialschwelle der ersten p⁻-Wanne 58 gegangen ist.
Auf diese Weise kann das Phänomen, daß die Signalladung in die Umgebung der Photodiode
und des Übertragungs-CCD fließt, vermieden werden.
Wenn das Halbleitersubstrat 57 als Drain gegen den Überlauf wirkt, wird die Verteilung
des elektrischen Potentials entlang der Linie IV-IV der Fig. 3, entsprechend einer an das n⁻-
Halbleitersubstrat 57 angelegten Überlaufbetriebsspannung VOFD durch die durchgezogene
Linie in Fig. 4 dargestellt.
Bezogen auf Fig. 5 steht nun der Betrag der optisch angeregten und in der Photodiode ak
kumulierten Signalladung bis zu dem Überlaufbetrieb im Verhältnis zu der einfallenden Be
leuchtungsstärke des Lichts und bleibt bei Überlaufbetrieb konstant.
Dementsprechend können die Überstrahlung und das Verschmieren vermieden werden, da die
überschüssige Signalladung zu dem Halbleitersubstrat 57 anstelle der angrenzenden Photo
diode, dem Übertragungs-CCD, usw. fließt.
Bei einem konventionellen Festkörperbildaufnehmer ist die Zeitperiode für die Akkumulation
der Signalladung gleich einer Feldperiode (16,7 ms). Um jedoch die Auflösung für das
sich schnell bewegende Objekt zu verbessern, muß die Periode für die Akkumulation der
Signalladung kürzer als eine Feldperiode gehalten werden. Demgemäß wird eine Elektro
nikverschlußfunktion, bei der die Zeitperiode für die Akkumulation der Signalladung durch
den Verschlußbetrieb mit variabler Geschwindigkeit gesteuert wird, auf einen Festkörperauf
nehmer angewandt (siehe U.S. Patent Nr. 5,014,132 (Titel: CCD Image, Erfinder: Kumesa
ma, Tetsuro, Appl. Nr.: 383,179), 5,045,906 (Titel: Solid State Image Pickup Device having
Photo-Electric Converting Region via Schottky Barrier, Erfinder: Kazuhisa Nagaya, Appl. Nr.:
559,035) und 4,875,100 (Titel: Electronic Shutter for a CCD Image Sensor, Erfinder: Kazuya
Yonemoto et al., Appl. Nr.: 110,844)).
Wie in dem U.S. Patent Nr. 4,875,100 beschrieben ist, kann die Verteilung des elektrischen
Potentials, wenn eine Elektronikverschluß-Spannung an das n⁻-Halbleitersubstrat 57 angelegt
ist, in Abhängigkeit von der angelegten Verschlußspannung (ΔVSHT) durch die gestrichelte
Linie der Fig. 4 dargestellt werden. Auf diese Weise werden alle Signalladungen, die in dem
Potentialtopf akkumuliert sind, entfernt.
Fig. 6 ist die einfache Impulsübersicht eines Elektronikverschlußbetriebs. Im allgemeinen ist
die Zeitperiode für die Akkumulation der Signalladung in einer Photodiode gleich einer Feld
periode, d. h. 1/60 einer Sekunde. Wenn ein Elektronikverschluß so betrieben wird, daß Ver
schlußspannungspulse mit einer Amplitude ΔVSHT kontinuierlich zu einem OFD Betriebs
spannungsniveau (VOFD) über eine Zeit T₀ addiert werden, wird die Signalladung für die
Zeitperiode von 1/60-T₀ Sekunden akkumuliert. Auf diese Weise kann der Betrag der ak
kumulierten Ladung gesteuert werden.
Ein CCD-Festkörperbildaufnehmer mit konventineller OFD Struktur weist jedoch die folgen
den Probleme auf. Zum ersten ist das n⁻-Halbleitersubstrat 57, das einen vertikal gerichteten
OFD Betrieb durchführt, durch eine Störstellenimplantation niedriger Konzentration gebil
det. Demgemäß muß, wenn ein OFD Betrieb durchgeführt werden soll, eine hohe Spannung
an das Halbleitersubstrat angelegt werden. Zum zweiten wird ebenso, wenn ein Verschlußbe
trieb in einer vertikalen OFD Struktur durchgeführt wird, ein Hochspannungsverschlußpuls
benötigt, um eine Potentialschwelle der ersten p⁻-Wanne 58 zu steuern. Zum dritten ist,
da das n⁻-Halbleitersubstrat, das einen OFD Betrieb durchführt, durch den ganzen Chip
hindurch ausgebildet ist, eine Realisierung von Schaltungen auf dem Chip schwierig, wenn
zusätzliche PMOS und CMOS Schaltungen außerhalb des Bildabtastgebiets eines Festkörper
bildaufnehmers gebildet werden sollen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen CCD-Festkörperbildaufnehmer mit OFD
Struktur bereitzustellen, bei dem ein OFD Betrieb und ein Elektronikverschlußbetrieb auch
unter Niederspannungsbedingungen möglich sind.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen CCD-Festkörperbildaufnehmer
mit OFD Struktur bereitzustellen, der eine Realisierung von Schaltungen auf dem Chip
ermöglicht.
Um diese Ziele zu erreichen, wird ein CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlauf
drain, der ungefähr an der Oberfläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist, mit einem
Licht aufnehmenden Teil, der unterhalb des Überlaufdrains ausgebildet ist, und der Licht
aufnehmenden Zone bereitgestellt.
Es ist erstrebenswert, daß der Überlaufdrain durch das erste Störstellendiffusionsgebiet ei
nes ersten Leitungstyps gebildet ist, und daß der Licht aufnehmende Teil durch das zweite
Störstellendiffusionsgebiet eines zweiten Leitungstyps zur Unterdrückung des Dunkelstroms,
das dritte Störstellendiffusionsgebiet des ersten Leitungstyps, in dem eine durch einfallendes
Licht angeregte Signalladung akkumuliert wird, das vierte Störstellendiffusionsgebiet eines
zweiten Leitungstyps und das fünfte Störstellendiffusionsgebiet eines ersten Leitungstyps ge
bildet ist. Hier ist der erste Leitungstyp der n-Leitungstyp.
Es ist weiterhin noch erstrebenswerter, daß die Störstellenkonzentration des ersten Störstel
lendiffusionsgebiets höher ist als die des zweiten Störstellendiffusionsgebiets, die Störstellen
konzentration des zweiten Störstellendiffusionsgebiets höher ist als die des dritten Störstellen
diffusionsgebiets, die Störstellenkonzentration des dritten Störstellendiffusionsgebiets höher
ist als die des vierten Störstellendiffusionsgebiets und daß die Störstellenkonzentration des
vierten Störstellendiffusionsgebiets höher ist als die des fünften Störstellendiffusionsgebiets.
Als erstes Ausführungsbeispiel ist der Überlaufdrain mit einem Teil des lichtabschirmenden
Films verbunden, der auf dem Halbleitersubstrat, aber nicht auf der Licht aufnehmenden Zo
ne, gebildet ist. Der lichtabschirmende Film ist aus Aluminium oder polykristallinem Silizium
gebildet.
Als zweites Ausführungsbeispiel besteht der Licht aufnehmende Teil aus dem dritten Störstel
lendiffusionsgebiet des ersten Leitungstyps, in dem eine durch einfallendes Licht angeregte
Signalladung akkumuliert wird, dem vierten Störstellendiffusionsgebiet des zweiten Leitungs
typs und dem fünften Störstellendiffusionsgebiet des ersten Leitungstyps. Gegenwärtig werden
das zweite Störstellendiffusionsgebiet des zweiten Leitungstyps zur Unterdrückung des Dun
kelstroms und der Überlaufdrain auf dem Licht aufnehmenden Teil ausgebildet. Weiterhin ist
eine Sperrschicht, die aus dem sechsten Störstellendiffusionsgebiet des zweiten Leitungstyps
besteht, zwischen dem Überlaufdrain und dem Licht aufnehmenden Teil ausgebildet.
Als drittes Ausführungsbeispiel ist eine Schicht als Mittel zum Anlegen einer Vorspannung
auf dem Überlaufdrain gebildet, die aus einem Material besteht, das einen ohmschen Kontakt
bilden kann, wenn es auf dem Überlaufdrain abgeschieden wird, wie beispielsweise transpa
rentes Indium-TiN Oxid (ITO) oder polykristallines Silizium.
Als viertes Ausführungsbeispiel besteht der Licht aufnehmende Teil aus dem zweiten Störstel
lendiffusionsgebiet des zweiten Leitungstyps zur Unterdrückung des Dunkelstroms, dem drit
ten Störstellendiffusionsgebiet des ersten Leitungstyps, in dem eine durch einfallen des Licht
angeregte Signalladung akkumuliert wird, und dem vierten Störstellendiffusionsgebiet des
zweiten Leitungstyps. Hier ist die Störstellenkonzentration des zweiten Störstellendiffusions
gebiets höher als die des dritten Störstellendiffusionsgebiets, während die Störstellenkonzen
tration des ersten Störstellendiffusionsgebiets höher ist als die des zweiten Störstellendiffusi
onsgebiets.
Die oben aufgeführten Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die de
taillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen deutlicher werden, die folgendes darstellen:
Fig. 1 ist eine Pixel- Layout- Darstellung eines konventionellen CCD- Festkörperbildaufnehmers;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der Fig. 1 und zeigt den konventionellen
CCD-Festkörperbildaufnehmer, der ein Zwischenzeilensystem verwendet;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht entsprechend Fig. 2 und zeigt den konventionellen CCD-Festkör
perbildaufnehmer mit der konventionellen Überlaufdrainstruktur;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Potentialverteilung entlang der Linie IV-IV der Fig. 3 zeigt;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Signalladung und der Beleuch
tungsstärke des auf eine Photodiode eingestrahlten Lichts zeigt;
Fig. 6 ist eine Impulsübersicht, um den Elektronikverschlußbetrieb in einer Überlaufdrain
struktur darzustellen;
Fig. 7 ist eine Schnittansicht, die die Überlaufdrainstruktur eines CCD- Festkörperbildaufneh
mers zeigt, der nach dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist;
Fig. 8 ist ein Diagramm, das die Potentialverteilung entlang der Linie VIII-VIII der Fig. 7 und
10 zeigt
Fig. 9 ist eine Schnittansicht, die die Überlaufdrainstruktur eines CCD-Festkörperbildaufneh
mers zeigt, der nach dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist;
Fig. 10 ist eine Schnittansicht, die die Überlaufdrainstruktur eines CCD-Festkörperbildauf
nehmers zeigt, der nach dem Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung ausgeführt
ist; und
Fig. 11 ist eine Schnittansicht, die die Überlaufdrainstruktur eines CCD-Festkörperbildauf
nehmers zeigt, der nach dem Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung ausgeführt
ist.
Die vorliegende Erfindung wird nun in bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter
beschrieben werden.
Fig. 7 ist eine Schnittansicht, die die Überlaufdrainstruktur eines CCD- Festkörperbildauf
nehmers zeigt, der nach dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ausgeführt
ist. Ein solcher Bildaufnehmer ist aus einem Licht aufnehmenden Teil, der durch ein n⁻-
Halbleitersubstrat 7 (d. h. das fünfte Störstellendiffusionsgebiet des ersten Leitungstyps), an
das eine Gleichspannung angelegt wird, eine erste p⁻-Wanne 8 (d. h. das vierte Störstel
lendiffusionsgebiet des zweiten Leitungstyps), die zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats
ausgebildet ist und die als Potentialschwelle gegen den Überlauf wirkt, um so das Über
strahlen zu unterdrücken, eine n-Photodiode 10 (d. h. das dritte Störstellendiffusionsgebiet
des ersten Leitungstyps), die zu der Oberfläche der ersten Wanne hin gebildet ist, und wo
die durch einfallendes Licht angeregte Signalladung akkumuliert wird, und eine p⁺-Schicht
9 zur Unterdrückung des Dunkelstroms (d. h. das zweite Störstellendiffusionsgebiet des zwei
ten Leitungstyps) gebildet, die durch die Implantation hoher Konzentration von Bor Ionen
in die Photodiode ausgebildet ist, um so eine Struktur zu erhalten, die vorteilhaft in bezug
auf Dunkelstromreduktion, Unterdrückung der Überstrahlung und einen Elektronikverschluß
mit variabler Geschwindigkeit ist, einem n⁺⁺-OFD 4 (d. h. das erste Störstellendiffusionsge
biet des ersten Leitungstyps), der durch Implantation der hoch konzentrierten n-Störstellen
in die p⁺-Schicht zur Dunkelstromunterdrückung ausgebildet ist und der als Drain gegen den
Überlauf wirkt, einer n-Kanalzone 11 eines vertikalen Übertragungs-CCDs zur Übertragung
der von einer Photodiode übertragenen Signalladung zu einem horizontalen Übertragungs-
CCD, einer zweiten p-Wanne 5, die unterhalb der Kanalzone ausgebildet ist, einem Über
tragungskanal 12, um die in der Photodiode akkumulierte Signalladung zu einer n-Kanalzone
eines vertikalen Übertragungs-CCDs zu übertragen, einer Kanalsperrschicht 6, um jede Zel
le abzutrennen, einem lichtabschirmenden Film 16, der in den Zonen ausgebildet ist, die
den Licht aufnehmenden Teil ausschließen, um so einfallendes Licht abzuschirmen und der
teilweise mit OFD 4 verbunden ist, um als Mittel zum Anlegen einer OFD Spannung zu
dienen, ersten Übertragungselektroden 13, an die ein Puls zur Übertragung der in einer Pho
todiode akkumulierten Signalladung zu einem vertikalen Übertragungs-CCD und ein Puls
zur nachfolgenden Übertragung der von einer Photodiode übertragenen Signalladung zu ei
nem horizontalen Übertragungs-CCD angelegt werden, einer zweiten Übertragungselektrode
(nicht gezeigt), an die der Puls zur nachfolgenden Übertragung der von einer Photodiode
übertragenen Signalladung zu einem horizontalen Übertragungs-CCD angelegt wird, einem
horizontalen Übertragungs-CCD (nicht gezeigt), der um eine Pixelzellenmatrix ausgebildet
ist, um die von der Vielzahl vertikaler Übertragungs-CCDs übertragene Signalladung zu ei
nem Ausgabeabschnitt zu übertragen, und einem Ausgabeteil (nicht gezeigt) gebildet, um
die von den horizontalen Übertragungs-CCDs übertragene Signalladung auszugeben.
Bei der oben beschriebenen Struktur ist es erstrebenswert, daß der lichtabschirmende Film 16
aus Aluminium oder polykristallinem Silizium gebildet ist, und daß die Störstellenkonzentrati
on von OFD 4 höher ist als die der Schicht 9 zur Unterdrückung des Dunkelstroms. Weiterhin
ist es höchst erstrebenswert, daß die Störstellenkonzentration der Schicht 9 zur Unterdrückung
des Dunkelstroms höher ist als die der Photodiode 10, die Störstellenkonzentration der Pho
todiode 10 höher ist als die der ersten Wanne 8 und daß die Störstellenkonzentration der
ersten Wanne 8 höher ist als die des Halbleitersubstrats 7.
Fig. 8 ist ein Diagramm, das die Potentialverteilung entlang der Linie VIII-VIII der Fig. 7
zeigt. Mit einer an die n⁻-Substratzone 7 angelegten vorbestimmten Gleichspannung, wobei
der Potentialtopf für die Akkumulation einer vorbestimmten Kapazität der Signalladung
(Gebiet "C"in Fig. 8) in der Photodiodenzone 10 gebildet ist, und wenn eine OFD Spannung
(VOFD) an die n⁺⁺-OFD-Zone 4 angelegt wird, so daß die erste p⁺-Wanne 9, die als Schwelle
gegen den OFD Betrieb wirkt, freigeräumt werden kann, kann hier die Potentialverteilung, die
durch die erste Wannenzone und die Schicht zur Unterdrückung des Dunkelstroms gebildet
ist, durch die durchgezogene Linie der Fig. 8 dargestellt werden. Auf diese Weise wird die in
einer Photodiode akkumulierte Signalladung in Richtung der OFD-Zone 4, die eine niedrige
Potentialschwelle hat, abgeführt.
Da die Dotierung mit Störstellen der OFD-Zone 4 eine hohe Konzentration erreicht, kann die
Potentialschwelle der Zone 9 zur Unterdrückung des Dunkelstroms leicht erniedrigt werden,
sogar wenn die niedrigere Überlaufdrainspannung (VOFD) angelegt wird. Auf diese Weise ist
der Überlauf der in der Photodiodenzone 10 akkumulierten Signalladung möglich.
Bezogen auf Fig. 8 stellt die gestrichelte Linie das Potential dar, wenn die angelegte Spannung
eine Elektronikverschluß- Spannung (ΔVSHT) einschließt. Der Elektronikverschlußbetrieb ist
aus demselben Grund, der in Verbindung mit dem Überlaufdrainbetrieb erklärt wurde, eben
falls unter Niederspannungsbedingungen möglich.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung kann im Gegensatz zum Stand
der Technik, da das OFD 4 hoher Konzentration auf jeder Photodiode 10 eines Festkörper
bildaufnehmers ausgebildet ist, eine konstante Gleichvorspannung an das n-Halbleitersubstrat
7 angelegt werden. Auf diese Weise können PMOS und CMOS Schaltungen in dem periphe
ren Schaltungsteil (d. h. das Gebiet, das die Zellenmatrix ausschließt) eines Chips verwirk
licht werden, um dadurch eine Schaltung eines Festkörperbildaufnehmers auf dem Chip zu
verwirklichen. Zusätzlich kann, da OFD 4 in einer Konzentration, die höher ist als die der
p⁺-Schicht 9 zur Unterdrückung des Dunkelstroms, mit Störstellen dotiert ist, eine Poten
tialschwelle der p⁺-Schicht 9 zur Unterdrückung des Dunkelstroms ausreichend durch eine
niedrige OFD- Spannung und eine Elektronikverschluß-Spannung gesteuert werden.
Fig. 9 ist eine Schnittansicht, die die Überlaufdrainstruktur eines CCD-Festkörperbildauf
nehmers zeigt, der nach dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung ausgeführt
ist. Hier ist ein Überlaufdrain auf jeder Photodiode ausgebildet, um dadurch die Wirkung
des Ausführungsbeispiels 1 zu erhalten, während die Schicht zur Unterdrückung des Dun
kelstroms, die im Ausführungsbeispiel 1 unterhalb des Überlaufdrains ausgebildet ist, im
Ausführungsbeispiel 2 in dem oberen Teil des Halbleiters ausgebildet ist, um dadurch leicht
die Erzeugung von Dunkelstrom zu unterdrücken.
Um den in der Oberfläche des Halbleitersubstrats erzeugten Dunkelstrom zu unterdrücken,
ist die p+-Schicht 9 zur Unterdrückung des Dunkelstroms auf dem Großteil der Oberfläche
der Photodiode 10 ausgebildet, während der n⁺⁺-OFD 4 entlang einer oberen Kante der Pho
todiode 10 ausgebildet ist, beispielsweise an den Seiten der Kanalsperrschicht 6. Gegenwärtig
ist die p-Sperrschicht 3 zwischen der Photodiode 10 und dem OFD 4 ausgebildet, um die elek
trische Potentialschwelle zwischen der n-Photodiode 10 und dem n⁺⁺-OFD 4 leicht steuern
zu können. Der lichtabschirmende Film 16, der in den Zonen ausgebildet ist, die den Licht
aufnehmenden Teil ausschließen, ist elektrisch mit dem n⁺⁺-OFD 4 gekoppelt, um als Mittel
zum Anlegen von OFD- und Elektronikverschluß-Spannungen zu dienen.
Wird eine Spannung an einen Überlaufdrain angelegt, so daß die Potentialverteilung in bezug
auf den n⁺⁺-OFD 4, die p-Sperrschicht 3, die Photodiode 10, die erste Wanne 8 und das
Halbleitersubstrat 7 der Fig. 9 durch eine Kurve dargestellt ist, die ähnlich der der Fig. 8 ist,
wirkt der n⁺⁺-OFD 4 als Drain gegen den Überlauf.
Fig. 10 ist eine Schnittansicht, die eine Überlaufdrainstruktur des CCD-Festkörperbildauf
nehmers zeigt, der nach dem Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung ausgeführt
ist. Die Struktur des Bauelements des Ausführungsbeispiels 3 ist fast die gleiche wie die des
Ausführungsbeispiels 1, außer daß eine ohmsche Schicht 2 als Mittel zum Anlegen einer OFD
Spannung durch Abscheiden des Materials, das einen ohmschen Kontakt bilden kann, wenn
es auf dem Überlaufdrain abgeschieden wird, auf der gesamten Oberfläche des n⁺⁺-OFD 4
ausgebildet ist. Das Material zur Ausbildung der ohmschen Schicht 2 kann hier ein ITO mit
ausgezeichneten Lichtdurchlässigkeitseigenschaften (Transparenz) oder eine dünne Schicht
polykristallinen Siliziums sein und wird vor der Ausbildung des lichtabschirmenden Films 16
über der gesamten Substratoberfläche abgeschieden.
Wenn eine Spannung an den OFD angelegt ist, so daß die Potentialverteilung gemäß der Linie
VIII-VIII der Fig. 10 durch die graphische Darstellung der Fig. 8 verdeutlicht werden kann,
wirkt der n⁺⁺-OFD 4 als Drain gegen den Überlauf.
Fig. 11 ist eine Schnittansicht, die eine Überlaufdrainstruktur des CCD-Festkörperbildauf
nehmers zeigt, der nach dem Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung ausgeführt
ist. Die Struktur des Bauelements des Ausführungsbeispiels 4 ist fast die gleiche wie die des
Ausführungsbeispiels 1, außer daß das Ausführungsbeispiel 4 die erste p⁻-Wanne 8 anstelle
des n⁻-Halbleitersubstrats 7 des Ausführungsbeispiels 1 als Halbleitersubstrat verwendet.
Gemäß einer OFD Struktur der vorliegenden Erfindung ist es möglich, da ein Überlaufdrain
jeweils auf jeder Photodiode eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist, das Halbleitersubstrat
auf einer konstanten Spannung zu halten. Überdies ist es ebenfalls möglich, eine periphere
Schaltung durch einen PMOS Transistor oder dergleichen, in der Umgebung des bildabtasten
den Gebiets eines Festkörperbildaufnehmers zu realisieren. Dies bedeutet, daß ein Festkörper
bildaufnehmer mit einem Schaltungsaufbau auf dem Chip hergestellt werden kann. Da die
Überlaufdrainzone durch eine Dotierung mit Störstellen hoher Konzentration ausgebildet ist,
können weiterhin ein OFD Betrieb und ein Elektronikverschlußbetrieb unter relativ niederen
Spannungsbedingungen realisiert werden.
Es versteht sich weiterhin, daß die vorstehenden Beschreibungen die bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiele des beschriebenen Bauelements sind und daß verschiedene Änderungen und
Modifikationen bei der Erfindung gemacht werden können, ohne deren Idee und Rahmen,
wie in den nachstehenden Ansprüchen festgelegt, zu überschreiten.
Claims (15)
1. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain (4), der ungefähr an der Ober
fläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist, einem Licht aufnehmenden Teil, der unterhalb
des Überlaufdrains (4) ausgebildet ist, und einer Licht aufnehmenden Zone.
2. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach Anspruch 1, wobei der Über
laufdrain (4) ein erstes Störstellendiffusionsgebiet (4) eines ersten Leitungstyps ist.
3. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach Anspruch 2, wobei der Licht
aufnehmende Teil durch ein zweites Störstellendiffusionsgebiet (9) eines zweiten Leitungs
typs, ein drittes Störstellendiffusionsgebiet (10) eines ersten Leitungstyps, in dem eine durch
einfallendes Licht angeregte Signalladung akkumuliert wird, ein viertes Störstellendiffusions
gebiet (8) eines zweiten Leitungstyps und ein fünftes Störstellendiffusionsgebiet (7) eines
ersten Leitungstyps gebildet ist.
4. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach Anspruch 3, wobei die Stör
stellenkonzentration des ersten Störstellendiffusionsgebiets (4) höher ist als die des zweiten
Störstellendiffusionsgebiets (9).
5. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach Anspruch 4, wobei die Stör
stellenkonzentration des zweiten Störstellendiffusionsgebiets (9) höher ist als die des drit
ten Störstellendiffusionsgebiets (10), und die Störstellenkonzentration des dritten Störstel
lendiffusionsgebiets (10) höher ist als die des vierten Störstellendiffusionsgebiets (8), und
die Störstellenkonzentration des vierten Störstellendiffusionsgebiets (8) höher ist als die des
fünften Störstellendiffusionsgebiets (7).
6. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach Anspruch 3, wobei das dritte
Störstellendiffusionsgebiet (10) durch Dotierung mit einer n-Störstelle gebildet ist.
7. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach Anspruch 1, wobei der Über
laufdrain (4) mit einem Teil eines lichtabschirmenden Films verbunden ist, der auf dem Halb
leitersubstrat, außer der Licht aufnehmenden Zone, ausgebildet ist.
8. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach Anspruch 7, wobei der licht
abschirmende Film (16) aus Aluminium oder polykristallinem Silizium gebildet ist.
9. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach Anspruch 7, wobei eine
Schicht (12) als Mittel zum Anlegen einer Vorspannung durch das Material gebildet ist,
das einen ohmschen Kontakt bilden kann, wenn es auf dem Überlaufdrain (4) abgeschieden
wird.
10. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach Anspruch 9, wobei die
Schicht (12) als Mittel zum Anlegen aus einem transparenten Indium-TiN Oxid oder po
lykristallinem Silizium besteht.
11. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach Anspruch 2, wobei der Licht
aufnehmende Teil durch ein zweites Störstellendiffusionsgebiet (9) eines zweiten Leitungstyps
zur Unterdrückung des Dunkelstroms, ein drittes Störstellendiffusionsgebiet (10) eines ersten
Leitungstyps und ein viertes Störstellendiffusionsgebiet (8) eines zweiten Leitungstyps gebil
det ist.
12. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach Anspruch 11, wobei die
Störstellenkonzentration des zweiten Störstellendiffusionsgebiets (9) höher ist als die des drit
ten Störstellendiffusionsgebiets (10) und die Störstellenkonzentration des ersten Störstellen
diffusionsgebiets (4) höher ist als die des zweiten Störstellendiffusionsgebiets (19).
13. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach Anspruch 2, wobei der Licht
aufnehmende Teil aus einem dritten Störstellendiffusionsgebiet (10) eines ersten Leitungstyps,
in dem eine durch einfallendes Licht angeregte Signalladung akkumuliert wird, einem vierten
Störstellendiffusionsgebiet (8) eines zweiten Leitungstyps und einem fünften Störstellendiffu
sionsgebiet (7) eines ersten Leitungstyps gebildet ist.
14. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach Anspruch 13, wobei ein
zweites Störstellendiffusionsgebiet (9) eines zweiten Leitungstyps zur Unterdrückung des Dun
kelstroms und ein Überlaufdrain (4) jeweils auf dem Licht aufnehmenden Teil ausgebildet
sind.
15. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach Anspruch 14, der weiter
hin eine Sperrschicht (3) aufweist, die aus einem sechsten Störstellendiffusionsgebiet (3) mit
einer zweiten Leitfähigkeit gebildet ist, die zwischen dem Überlaufdrain (4) und dem Licht
aufnehmenden Teil angeordnet ist.
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8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: PATENTANWAELTE RUFF, WILHELM, BEIER, DAUSTER & PAR |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8304 | Grant after examination procedure | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R071 | Expiry of right | ||
R071 | Expiry of right |