DE4417159C2

DE4417159C2 - CCD-Festkörperbildaufnehmer mit Überlaufdrainstruktur

Info

Publication number: DE4417159C2
Application number: DE4417159A
Authority: DE
Inventors: Bum-Sik Kim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1993-05-18
Filing date: 1994-05-17
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2014-05-18
Also published as: FR2705495A1; KR940027509A; JPH0750402A; US5619049A; JP3645585B2; KR970007711B1; FR2705495B1; DE4417159A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen ladungsgekoppelten (CCD) Festkörperbildaufnehmer und im besonderen auf einen CCD- Festkörperbildaufnehmer mit einem vertikalen Überlaufdrain (OFD) ei nes ersten Leitfähigkeitstyps und einem Licht aufnehmenden Teil mit einem Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps zum Akkumulieren von durch einfallendes Licht angeregter Signalladung.

Ein gattungsgemäßer CCD-Festkörperbildaufnehmer ist aus Eiji Oda et al., "Blooming Suppression Mechanism for an Interline CCD Image Sen sor with a Vertical Overflow Drain", IEDM 1983, Seiten 501-504 bekannt und wird nachfolgend eingehend erörtert.

Aus der internationalen Patentveröffentlichung WO 89/09495 A1 ist ein CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem lateralen Überlaufdrain be kannt, der an der Oberfläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist. Durch den lateralen Überlaufdrain werden überschüssige Ladungen seit lich von einer ebenfalls an der Oberfläche des Halbleitersubstrats ange ordneten Photodiode abgeführt.

Aus der europäischen Offenlegungsschrift EP 05 44 260 A1 ist ein wei terer CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem lateralen Überlaufdrain bekannt.

Ein Festkörperbildaufnehmerbauelement bildet einen Aufnahmebereich, in dem ein Festkörperelement, das eine photoelektrische Umwandlungs funktion und eine Signalakkumulierungsfunktion hat, als ein Pixel ver wendet 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 Fest körperbildaufnehmer, der ein X-Y Adressiersystem verwendet, und ei nem, der ein Signalübertragungssystem verwendet, unterschieden wer den. Der Festkörperbildaufnehmer, der das X-Y Adressiersystem ver wendet, liest wahlweise die Signalladung jedes Pixels aus, um eine Ausgabe zu erhalten, wobei ein MOS-Festkörperbildaufnehmer im Han del 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 Si gnalladung vertikal zu befördern, einem horizontalen Übertragungs-CCD, um die vor, 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 photelektrischen 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 sind hier nicht gezeigt.

Der lichtabschirmende 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 ho rizontalen 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 Photoeffekt 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 zweite Übertragungselektroden (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 ho rizontal 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, d. h. 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 Eiji 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 Transelectron Devices, Vol. 38, No. 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 am Rand einer 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 V_OFD 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 Akkumulati on 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 (ΔV_SHT) 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 ΔV_SHT kontinuierlich zu einem OFD Betriebs spannungsniveau (V_OFD) 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.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen CCD-Festkörperbildaufnehmer mit OFD Struktur bereitzustellen, bei dem ein OFD Betrieb und ein Elektronikverschlußbetrieb auch unter Niederspannungsbedingungen möglich sind, und der eine Realisierung von Schaltungen auf dem Chip ermöglicht.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlauf drain, der an der Oberfläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist, mit einem Licht aufnehmenden Teil, der unterhalb des Überlaufdrains ausgebildet ist, 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-Zinn-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 einfallendes 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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird nun in bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter beschrieben werden.

Ausführungsbeispiel 1

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 ans 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, uni 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 am Rand einer 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 (V_OFD) 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 (V_OFD) 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 (ΔV_SHT) 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.

Ausführungsbeispiel 2

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.

Ausführungsbeispiel 3

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.

Ausführungsbeispiel 4

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.

Claims

1. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem vertikalen Überlaufdrain eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem Licht aufnehmenden Teil mit einem Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps zum Akkumulieren von durch einfallendes Licht angeregter Signalladung, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlaufdrain an einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet ist, das Gebiet zum Akkumulieren von Ladung unterhalb des Überlaufdrains angeordnet und von diesem durch ein Gebiet eines zwei ten Leitfähigkeitstyps getrennt ist.

2. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlaufdrain (4) ein erstes Störstellendiffusionsgebiet (4) eines ersten Leitungstyps ist und der Licht aufnehmende Teil durch ein zweites Störstellendiffusionsgebiet (9) eines zweiten Leitungstyps, ein drittes Störstellendiffusionsgebiet (10) eines ersten Leitungstyps, in dem eine durch einfallendes Licht angeregte Signalladung akkumuliert wird, ein viertes Störstellendiffusionsgebiet (8) eines zweiten Leitungstyps und ein fünftes Störstellendiffusionsgebiet (7) eines ersten Leitungstyps gebildet ist.

3. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach An spruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Störstellenkonzentration des ersten Störstellendiffusionsgebiets (4) höher ist als die des zweiten Störstellendiffusionsgebiets (9).

4. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach An spruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Störstellenkonzentration des zweiten Störstellendiffusionsgebiets (9) höher ist als die des dritten Störstellendiffusionsgebiets (10), und die Störstellenkonzentration des dritten Störstellendiffusionsgebiets (10) höher ist als die des vierten Störstellendiffusionsgebiets (8), und die Störstellenkonzentration des vierten Störstellendiffusionsgebiets (8) höher ist als die des fünften Stör stellendiffusionsgebiets (7).

5. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach An spruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Störstellendiffusions gebiet (10) durch Dotierung mit einer n-Störstelle gebildet ist.

6. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeicht, dass der Über laufdrain (4) mit einem Teil eines lichtabschirmenden Films verbunden ist, der auf dem Halbleitersubstrat, außer einer Licht aufnehmenden Zo ne, ausgebildet ist.

7. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach An spruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtabschirmende Film (16) aus Aluminium oder polykristallinem Silizium gebildet ist.

8. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach An spruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht (12) als Mittel zum Anlegen einer Vorspannung durch ein Material gebildet ist, das einen ohmschen Kontakt bilden kann, wenn es auf dem Überlaufdrain (4) ab geschieden wird.

9. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach An spruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12) als Mittel zum Anlegen einer Vorspannung aus einem transparenten Indium-Zinn-Oxid oder polykristallinem Silizium besteht.

10. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlaufdrain (4) ein erstes Störstellendiffusionsgebiet eines ersten Leitungstyps ist, der Licht auf nehmende 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 gebildet ist.

11. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach An spruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Störstellenkonzentration des zweiten Störstellendiffusionsgebiets (9) höher ist als die des dritten Störstellendiffusionsgebiets (10) und die Störstellenkonzentration des ersten Störstellendiffusionsgebiets (4) höher ist als die des zweiten Stör stellendiffusionsgebiets (19).

12. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlaufdrain (4) ein erstes Störstellendiffusionsgebiet eines ersten Leitungstyps ist, der Licht auf nehmende Teil aus einem dritten Störstellendiffusionsgebiet (10) eines ersten Leitungstyps, in dem eine durch einfallendes Licht angeregte Sig nalladung akkumuliert wird, einem vierten Störstellendiffusionsgebiet (8) (8) eines zweiten Leitungstyps und einem fünften Störstellendiffusions gebiet (7) eines ersten Leitungstyps gebildet ist.

13. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach An spruch 12, wobei ein zweites Störstellendiffusionsgebiet (9) eines zwei ten Leitungstyps zur Unterdrückung des Dunkelstroms und der Über laufdrain (4) jeweils auf dem Licht aufnehmenden Teil ausgebildet sind.

14. CCD-Festkörperbildaufnehmer mit einem Überlaufdrain nach An spruch 13, der weiterhin eine Sperrschicht (3) aufweist, die aus einem sechsten Störstellendiffusionsgebiet (3) mit einer zweiten Leitfähigkeit gebildet ist, die zwischen dem Überlaufdrain (4) und dem Licht aufneh menden Teil angeordnet ist.