DE60032283T2

DE60032283T2 - Festkörperbildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE60032283T2
Application number: DE60032283T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Shinagawa-ku Yoshida
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2020-05-27
Also published as: JP4284752B2; EP1717860B1; KR100712154B1; EP1058313A3; EP1717860A1; JP2000340784A; DE60032283D1; DE60038584T2; US6724022B1; EP1058313A2; KR20010014981A; EP1058313B1; DE60038584D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Festkörperbildaufnahmevorrichtung und insbesondere eine Festkörperbildaufnahmevorrichtung mit einem effektiven Pixelbereich und einem optischen Schwarzbereich (OPB), die in derselben Spalte angeordnet sind.
In 13 kennzeichnet das Bezugskennzeichen 1 allgemein eine als Festkörperbildaufnahmevorrichtung bekannte Interline Transfer CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung mit einem vertikalen optischen Schwarzbereich in der vertikalen Richtung eines effektiven Pixelgebiets.
Die CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung 1 weist einen Bildbereich 6 auf, der aus einem effektiven Pixelgebiet 4 und einem optischen Schwarzpixelbereich 5 (der nachfolgend als OPB Bereich bezeichnet wird) zum Detektieren eines Schwarzpegels besteht. Das effektive Pixelgebiet 4 weist eine Mehrzahl von Fotosensorbereichen 2 auf, die in Form einer Matrix angeordnet sind. Jeder Fotosensorbereich 2 ist aus einer Fotodiode zur optoelektrischen Umwandlung von einfallendem Licht ausgebildet. Das effektive Pixelgebiet 4 weist zudem eine Mehrzahl von vertikalen Transferregisterbereichen 3 auf, die jeweils eine CCD Struktur aufweisen und den Spalten mit Fotosensoren 2 derart entsprechen, dass jeder vertikale Transferregisterbereich 3 sich entlang einer Seite der zugehörigen Spalte des Fotosensorbereichs 2 erstreckt. Der OPB Bereich 5 ist um das effektive Pixelgebiet 4 optisch abgeschirmt ausgebildet, wie in 13 schattiert dargestellt ist. Die Festkörperbildaufnahmevorrichtung 1 weist zudem einen horizontalen Transferregisterbereich 7 mit einer CCD Struktur und einem Ladungsdetektionsbereich 8 auf. Das Bezugskennzeichen 9 kennzeichnet eine effektive Pixeleinheit im effektiven Pixelgebiet 4.
Der OPB Bereich 5 weist einen vertikalen OPB Bereich 5V auf, der in einem vertikal ausgedehnten Gebiet des effektiven Pixelgebiets 4 ausgebildet ist. Der vertikale OPB Bereich 5V weist einen dem Fotosensorbereich 2 entsprechenden Bereich 10 auf. Dieser Bereich 10 und ein einem Bit des vertikalen Transferregisterbereichs 3 entsprechender Transferbereich bilden eine optische Schwarzpixeleinheit 11 aus. Das effektive Pixel 9 und das optische Schwarzpixel 11 derselben Spalte weisen gewöhnlich denselben vertikalen Transferregisterbereich 3 auf.
In der CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung 1 werden eine durch opto-elektrische Umwandlung im Fotosensorbereich 2 im effektiven Pixelgebiet 4 erhaltene Signalladung und Ladung im vertikalen OPB Bereich 5V in gegebenen Abständen in den vertikalen Registerbereich 3 eingelesen und dann in Richtung des horizontalen Transferregisterbereichs 7 mittels z.B. vertikalen 4-Phasen Ansteuertaktpulsen ∅V₁, ∅V₂, ∅V₃, ∅V₄ übermittelt, siehe 21. Im horizontalen Transferregisterbereich 7 wird die Ladung im vertikalen OPB Bereich 5V und die Signalladung im Fotosensorbereich 2, welche beide vom vertikalen Transferregisterbereich 3 übermittelt wurden, sequenziell dem Ladungsdetektionsbereich 8 Bit um Bit durch horizontale 2-Phasen Ansteuertaktpulse ∅H₁ und ∅H₂ zugeführt. In dem Ladungsdetektionsbereich 8 wird die eingespeiste Ladung in eine Spannung umgewandelt, welche dann als Spannungssignal ausgegeben wird.
In 21 kennzeichnet T₁ eine Lesezeit und sowohl ∅V₁ als auch ∅V₃ stellen einen ternären Puls mit einem Lesepuls P₁ dar. ∅s kennzeichnet einen elektronischen Verschlusspuls und T₂ kennzeichnet eine Belichtungsdauer bei elektronischem Verschluss.
14 zeigt eine vergrößerte Aufsicht auf das Einheitspixel 9 im in 13 gezeigten effektiven Pixelgebiet 4 und 15 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie C-C' in 14. 16 zeigt eine vergrößerte Aufsicht auf die optische Schwarzpixeleinheit 11 in dem in 13 gezeigten vertikalen OPB Bereich 5V, und 17 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie E-E' in 16.
Diese CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung 1 ist derart aufgebaut, dass diese eine vertikale Überlauf-Drainstruktur aufweist.
Wie in 14 und 15 gezeigt ist, weist das effektive Pixelgebiet 4 den folgenden Aufbau auf. Es ist ein Siliziumsubstrat 12 eines ersten Leitungstyps, z. B. n-Typ, vorgesehen und ein erstes Halbleiterwannengebiet 13 vom zweiten Leitungstyp, z. B. p-Typ, wird auf dem Siliziumsubstrat 12 ausgebildet. Ein n-Typ Halbleitergebiet 14 wird auf der Oberseite des ersten p-Typ Halbleiterwannengebiets 13 ausgebildet und ein positives p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 15 wird auf der Oberseite des n-Typ Halbleitergebiets 14 zur Bildung des Fotosensorbereichs 2 ausgebildet. Zudem sind ein zweites p-Typ Halbleiterwannengebiet 16 und ein n-Typ Transferkanalgebiet 17 im ersten p-Typ Halbleiterwannengebiet 13 an einer vom Fotosensorbereich 2 getrenn ten Position ausgebildet. Ein p-Typ Kanalstoppgebiet 18 ist ebenso im ersten p-Typ Halbleiterwannengebiet 13 ausgebildet.
Der Fotosensorbereich 2 als sogenannter HAD (Hole Accumulation Diode) Sensor wird vom ersten p-Typ Halbleiterwannengebiet 13, dem n-Typ Halbleitergebiet 14 und dem positiven p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 15 ausgebildet.
Das erste p-Typ Halbleiterwannengebiet 13 wirkt als sogenanntes Überlauf-Barrierengebiet. Ein Lesegatebereich 13 ist zwischen dem Fotosensorbereich 2 und dem vertikalen Transferregisterbereich 3 ausgebildet, worauf später eingegangen wird. Ein p-Typ Halbleitergebiet 20 ist in der Oberfläche des Substrats an einer dem Lesegatebereich 19 entsprechenden Position ausgebildet.
Eine Transferelektrode 22 aus z. B. Polysilizium ist über einem Gateisolationsfilm 21 auf dem Transferkanalgebiet 17, dem Kanalstoppgebiet 18 und dem p-Typ Halbleitergebiet 20 des Lesegatebereichs 19 ausgebildet. Der vertikale Transferregisterbereich 3 mit einer CCD Struktur wird über das Transferkanalgebiet 17, den Gateisolationsfilm 21 und die Transferelektrode 22 ausgebildet.
Zudem ist ein Zwischenschichtdielektrikum 23 zur Bedeckung der Transferelektrode 22 ausgebildet und ein Lichtabschirmungsfilm 25 wie ein Al Film ist auf der gesamten Oberfläche, ausgenommen einer Öffnung 24 des Fotosensorbereichs 2, ausgebildet.
Wie in 16 und 17 gezeigt ist, weist der vertikale OPB Bereich 5V den folgenden Aufbau auf. Das oben erwähnte n-Typ Halbleitergebiet 14 ist nicht in dem zum Fotosensorbereich 2 entsprechenden Bereich 10 ausgebildet, sondern lediglich das positive p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 15 ist an der Oberseite des ersten p-Typ Halbleiterwannengebiets 13 gebildet. Somit wird im Bereich 10 keine Fotodiode ausgebildet. Zusätzlich ist der Lichtabschirmungsfilm 25 auf der gesamten Oberfläche einschließlich des Bereichs 10 ausgebildet. Der weitere Aufbau ähnelt demjenigen des effektiven Pixelgebiets 4, so dass übereinstimmende Elemente mit denselben Bezugskennzeichen bezeichnet werden und auf eine Beschreibung derselben wird zur Vermeidung von Wiederholungen verzichtet.
Die Registerbereite (= W₀) des vertikalen Transferregisterbereichs 3 im effektiven Pixelgebiet 4 ist entsprechend zur Registerbreite (= W₀) des vertikalen Transferregisterbereichs 3 im vertikalen OPB Bereich 5V eingestellt. Die Gatelänge (= d₀) des Lesegatebereichs 19 im effektiven Pixelgebiet 4 ist entsprechend zur Gatelänge (= d₀) des Lesegatebereichs 19 im vertikalen OPB Bereich 5V eingestellt. Zudem wird die Fläche (= a₀ × b₀) des Fotosen sorbereichs 2 im effektiven Pixelgebiet 4 entsprechend zur Fläche (= a₀ × b₀) des Bereichs 10 im vertikalen OPB Bereich 5V eingestellt.
In der oben erwähnten CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung 1 neigt die Fläche des Fotosensorbereichs 2 zur Vergrößerung, um die Empfindlichkeit bei einer Größenabnahme und einer Zunahme der Anzahl von Pixel zu verbessern. Folglich wird die Fläche des vertikalen Transferregisterbereichs 3 notwendigerweise reduziert und der allgemeine dynamische Bereich (entsprechend zur sogenannten maximalen handhabbaren Ladungsmenge) in der CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung 1 wird über den dynamischen Bereich im vertikalen Transferregisterbereich 3 festgelegt.
Wie oben erwähnt ist, weist der dem Fotosensorbereich 2 im effektiven Pixelgebiet 4 entsprechende Bereich 10 im vertikalen OPB Bereich 5V einen solchen Aufbau auf, dass das n-Typ Halbleitergebiet 14 zum Ausbilden einer Fotodiode nicht ausgebildet wird, um eine opto-elektrische Umwandlung des durch den Lichtabschirmungsfilm 25 hindurchgelassenen Lichtes zu verhindern, und dass lediglich das positive p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 15 als p-Typ Halbleitergebiet mit einer hohen Fremdstoffkonzentration vorliegt. Somit wird der vertikale Transferregisterbereich 3 im vertikalen OPB Bereich 5V durch dreidimensionale Verdichtung (Einschluss) vom dichten p-Typ Halbleitergebiet stark beeinflusst, so dass der dynamische Bereich des vertikalen Transferregisterbereichs 3 im vertikalen OPB Bereich 5V kleiner wird als der dynamische Bereich des vertikalen Transferregisterbereichs 3 im effektiven Pixelgebiet 4.
Dieses Problem wird nun detaillierter beschrieben.
Wie in 17 gezeigt ist, ist das n-Typ Halbleitergebiet 14 (siehe 15) nicht im Bereich 10 im vertikalen OPB Bereich 5V, der dem Fotosensorbereich 2 und effektiven Pixelgebiet 4 entspricht, ausgebildet. Deshalb ist die Fremdstoffkonzentration im positiven p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 15, das durch Ionenimplantation ausgebildet ist, hoch und der p-Typ Fremdstoff im Gebiet 15 wird in das n-Typ Transferkanalgebiet 17 diffundiert. Somit neigt die effektive Kanalweite des n-Typ Transferkanalgebiets 17 dazu, kleiner als die Kanalweite des n-Typ Transferkanalgebiets 17 im effektiven Pixelgebiet 4 zu sein. Andererseits liegt das n-Typ Halbleitergebiet 14 im Fotosensorbereich 2 im effektiven Pixelgebiet 4 vor, so dass der Fremdstoff im positiven p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 15 in gewisser Menge mit dem Fremdstoff im n-Typ Halbleitergebiet 14 kompensiert wird. Folglich nimmt die Fremdstoffkonzentration im positiven p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 15 um eine bestimmte Menge ab und zeigt keinen Einfluss auf das n-Typ Transferkanalgebiet 17.
18 zeigt ein Potentialdiagramm zu einem Potential entlang der Tiefe des vertikalen Transferregisterbereichs 3 (entlang der Linie D-D' in 15) im effektiven Pixelgebiet 4 während des normalen Betriebs. Hierbei liegt eine Substratspannung V_sub am Substrat 12 an. 19 zeigt ein Potentialdiagramm entlang der Tiefe des vertikalen Transferregisterbereichs 3 im effektiven Pixelgebiet 4 während des elektronischen Verschlusses. In diesem Falle ist ein elektronischer Verschlusspuls ∅s mit einer hohen positiven Amplitude wie, in 21 gezeigt, zur Substratspannung V_sub überlagert und an das Substrat 12 angelegt.
20 zeigt ein Potentialdiagramm entlang der Tiefe des vertikalen Transferregisterbereichs 3 (entlang der Linie F-F' in 17) im vertikalen OPB Bereich 5V während des elektronischen Verschlusses.
Wird der elektronische Verschlusspuls ∅s mit einer hohen positiven Amplitude zuzüglich des Substratpotentials V_sub an das Substrat 12, wie in 19 und 20 gezeigt, angelegt, so wird ein erkennbares GND Potential in Richtung positiver Potentiale aufgrund von Koppelkapazitäten C verschoben, die zwischen dem Substrat 12 und den p-Typ Gebieten, wie in 15 und 17 gezeigt, ausgebildet sind. Zusätzlich werden die an das Substrat 12 kapazitiv gekoppelten Potentiale der p-Typ Gebiete, d. h. das Potential im ersten p-Typ Halbleiterwannengebiet 13 im effektiven Pixelgebiet 4 und die Potentiale in den ersten und zweiten p-Typ Halbleiterwannengebieten 13 und 16 im vertikalen OPB Bereich 5V, vorübergehend tief, was eine Reduktion der Ladungsspeicherkapazität (sogenannte maximale handhabbare Ladungsmenge) des vertikalen Transferregisterbereichs 3 verursacht. Insbesondere ist die Ladungsspeicherkapazität im vertikalen OPB Bereich 5V am stärksten reduziert, wie in 20 gezeigt ist.
Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Bereich 10 im vertikalen OPB Bereich 5V, der dem Fotosensorbereich 2 im effektiven Pixelgebiet 4 entspricht, über das positive p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 15 mit einer wie in 17 gezeigten hohen Fremdstoffkonzentration ausgebildet ist, als auch auf die Tatsache, dass die Koppelkapazität C zwischen dem Substrat 12 und dem Gebiet 15 deshalb größer ist, was einen starken Einfluss auf das Potential beim Anlegen des elektronischen Verschlusspulses ∅s verursacht. Folglich wird die Ladungsspeicherkapazität des vertikalen Transferregisterbereichs 3 im vertikalen OPB Bereich 5V am stärksten reduziert.
US 4,322,753 beschreibt eine Festkörperladungstransfer-Bildabtastvorrichtung. In der Abtastvorrichtung werden Ladungen in fotoempfindlichen Elementen auf einem Halbleitersubstrat angesammelt und in einen Speicherbereich oder in vertikale Schieberegister transferiert, wobei der Transfer bei hoher Geschwindigkeit stattfindet. Die Ladungen erzeugen eine Abfolge ausgegebener elektrischer Signale, die mit normaler Geschwindigkeit zugestellt werden. Die Speicher und ähnliche Bereiche des Substrats können vollkommen lichtabgeschirmt sein. Eine in das erste vertikale Schieberegister fließende Ladungsmenge kann aufgrund der hohen Transfergeschwindigkeit äußert klein sein, um ein „Smear" Phänomen zu minimieren. Ebenso kann intensives einfallendes Licht einen Ladungsüberlauf aus den fotoempfindlichen Elementen in die nahegelegenen ersten vertikalen Schieberegister verursachen, die gegenwärtig die Ladungen transferieren. Durch Betreiben des ersten vertikalen Schieberegisters bei hoher Geschwindigkeit können die Ladungen eines Bildfeldes vorübergehend im Speicherbereich gespeichert werden, um die Verwendungszeit des ersten vertikalen Schieberegisters zu reduzieren. Die verbleibende verfügbare Verwendungszeit des ersten vertikalen Schieberegisters kann zum Verwerfen der im ersten vertikalen Schieberegister unerwünscht angesammelten Ladungen genutzt werden.
ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
Es ist somit eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Festkörperbildaufnahmevorrichtung bereitzustellen, die hinsichtlich des allgemeinen dynamischen Bereichs verbessert werden kann.
Die Erfindung ist im unabhängigen Patentanspruch 1 definiert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Festkörperbildaufnahmevorrichtung angegeben mit einem effektiven Pixelbereich, einem optischen Schwarzbereich und einem Ladungstransferregisterbereich, der in herkömmlicher Weise im effektiven Pixelbereich und dem optischen Schwarzbereich vorgesehen ist, wobei die Registerbreite eines Bereichs des Ladungstransferregisterbereichs im optischen Schwarzbereich größer eingestellt ist als die Breite eines Bereichs des Ladungstransferregisterbereichs im effektiven Pixelbereich.
Mit diesem Aufbau ist die Registerbreite des Ladungstransferregisterbereichs im optischen Schwarzbereich größer als die Registerbreite des Ladungstransferregisterbereichs im effektiven Pixelbereich. Dadurch lässt sich eine Ladungsspeicherkapazität im Ladungstransferregisterbereich im optischen Schwarzbereich erhöhen, so dass eine ausreichende Ladungsspeicherkapazität selbst bei einer Potentialänderung im Ladungstransferregisterbereich zum Zeitpunkt des elektronischen Verschlusses sichergestellt werden kann. Demnach lässt sich der allgemeine dynamische Bereich in der Festkörperbildaufnahmevorrichtung vergrößern.
Gemäß einem weiteren Aspekt eines Beispiels wird eine Festkörperbildaufnahmevorrichtung angegeben mit einem effektiven Pixelbereich, einem optischen Schwarzbereich und einem Ladungstransferregisterbereich, der auf herkömmliche Weise im effektiven Pixelbereich und dem optischen Schwarzbereich vorgesehen ist, wobei die Fläche eines Bereichs im optischen Schwarzbereich, der einem Einheitssensorbereich im effektiven Pixelbereich entspricht, kleiner eingestellt ist als die Fläche des Einheitssensorbereichs im effektiven Pixelbereich.
Mit diesem Aufbau wird die Fläche des Bereichs im optischen Schwarzbereich, der dem Einheitssensorbereich im effektiven Pixelbereich entspricht, reduziert. Folglich wird der Abstand zwischen diesem dem Einheitssensorbereich entsprechenden Bereich und dem Ladungstransferregisterbereich vergrößert. Somit ist es möglich, den Einfluss einer Kopplungskapazität zwischen diesem dem Einheitssensorbereich entsprechenden Bereich und dem Substrat auf den Ladungstransferregisterbereich besonders zum Zeitpunkt des elektronischen Verschlusses zu reduzieren, so dass Potentialschwankungen im Ladungstransferregisterbereich vermieden werden. Somit kann der allgemeine dynamische Bereich in der Festkörperbildaufnahmevorrichtung vergrößert werden.
Weitere Ziele und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen unter Zuhilfenahme der begleitenden Abbildungen ersichtlicher.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1 zeigt eine schematische Ansicht des allgemeinen Aufbaus einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Festkörperbildaufnahmevorrichtung gemäß der Erfindung;
2 zeigt eine vergrößerte Aufsicht eines in 1 gezeigten grundlegenden Teils;
3 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie G₁-G₁' in 2;
4 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie H₁-H₁' in 2;
5 zeigt eine schematische Ansicht zum allgemeinen Aufbau der Festkörperbildaufnahmevorrichtung gemäß einem Beispiel;
6 zeigt eine vergrößerte Aufsicht auf einen in 5 gezeigten grundlegenden Teil;
7 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie G₂-G₂' in 6;
8 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie H₂-H₂' in 6;
9 zeigt eine schematische Ansicht des allgemeinen Aufbaus einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Festkörperbildaufnahmevorrichtung gemäß dieser Erfindung;
10 zeigt eine vergrößerte Aufsicht auf einen in 9 gezeigten grundlegenden Teil;
11 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie G₃-G₃' in 10;
12 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie H₃-H₃' in 10;
13 zeigt eine schematische Ansicht des allgemeinen Aufbaus einer herkömmlichen Festkörperbildaufnahmevorrichtung;
14 zeigt eine vergrößerte Aufsicht auf einen in 13 gezeigten effektiven Pixelbereich;
15 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie C-C' in 14;
16 zeigt eine vergrößerte Aufsicht auf einen in 13 gezeigten vertikalen optischen Schwarzbereich;
17 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie E-E' in 16;
18 zeigt ein Potentialdiagramm entlang der Tiefe eines vertikalen Transferregisterbereichs (entlang der Linie D-D' in 15) im effektiven Pixelgebiet während des normalen Betriebs;
19 zeigt ein Potentialdiagramm entlang der Tiefe eines vertikalen Transferregisterbereichs (entlang der Linie D-D' in 15) im effektiven Pixelgebiet während des elektronischen Verschlusses;
20 zeigt ein Potentialdiagramm entlang der Tiefe eines vertikalen Transferregisterbereichs (entlang der Linie F-F' in 17) im vertikalen OPB Bereich während des elektronischen Verschlusses; und
21 zeigt ein Zeitablaufdiagramm von Ansteuerpulsen in der Festkörperbildaufnahmevorrichtung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 bis 4 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung gemäß dieser Erfindung.
Diese CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung verwendet eine sogenannte vertikale Überlauf-Drainstruktur.
In 1 kennzeichnet das Bezugskennzeichen 411 allgemein eine CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung. Die CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung 411 weist einen Bildbereich 46 auf, bestehend aus einem effektiven Pixelgebiet 44 und einem OPB Bereich 45 zur Detektion eines Schwarzpegels. Das effektive Pixelgebiet 44 weist eine Mehrzahl von Fotosensoren 42 auf, die in Form einer Matrix angeordnet sind. Jeder Fotosensorbereich 42 ist aus einer Fotodiode zur opto-elektrischen Umwandlung von einfallendem Licht ausgebildet. Das effektive Pixelgebiet 44 weist zusätzlich eine Mehrzahl von Ladungstransferregistern mit jeweils einer CCD Struktur auf, d. h. sogenannte vertikale Transferregisterbereiche 43, die jeweils den Spalten der Fotosensorbereiche 42 derart entsprechen, dass jeder vertikale Transferregisterbereich 43 sich entlang einer Seite der zugehörigen Spalte des Fotosensorbereichs 42 erstreckt. Der OPB Bereich 45 ist um das effektive Pixelgebiet 44 ausgebildet, wie in 1 schattiert dargestellt ist, und über einen Lichtabschirmungsfilm abgeschirmt, worauf später eingegangen wird. Die Festkörperbildaufnahmevorrichtung 411 weist zudem ein Ladungstransferregister mit einer CCD Struktur auf, d. h. einen sogenannten horizontalen Transferregisterbereich 47 und einen Ladungsdetektionsbereich 48, der mit dem Ausgang des horizontalen Transferregisterbereichs 47 verbunden ist.
Das Bezugskennzeichen 49 kennzeichnet eine effektive Pixeleinheit im effektiven Pixelgebiet 44. Die effektiven Pixeleinheiten 49 jeder Spalte stellen einen effektiven Pixelbereich 50 dar.
Der OPB Bereich 45 weist einen vertikalen OPB Bereich 45V auf, der in einem vertikal ausgedehnten Gebiet des effektiven Pixelbereichs 50 jeder Spalte ausgebildet ist.
Der vertikale OPB Bereich 45V weist einen Bereich 52 auf, der dem Fotosensorbereich 42 entspricht. Dieser Bereich 52 und ein Transferregisterbereich, der einem Bit des vertikalen Transferregisterbereichs 43 entspricht, stellen eine optische Schwarzpixeleinheit 51 dar.
Der effektive Pixelbereich 50 und der vertikale OPB Bereich 45V derselben Spalte weisen üblicherweise denselben vertikalen Transferregisterbereich 43 auf.
Wie in 2 gezeigt ist, weist ein Bereich des vertikalen Transferregisterbereichs 43 im effektiven Pixelgebiet 44, d. h. der effektive Pixelbereich 50, eine Registerbreite W₁ auf und ein Bereich des vertikalen Transferregisterbereichs 43 im vertikalen OPB Bereich 45V weist eine Registerbreite W₂ auf. Die Registerbreite W₂ ist größer als die Registerbreite W₁ (d. h. W₁ < W₂) eingestellt. Somit wird die Registerbreite W₂ durch Vergrößern der Breite des vertikalen Transferregisterbereichs 43 in Richtung eines Lesegatebereichs 54 vergrößert.
Die Fläche (= a₁ × b₁) des Fotosensorbereichs 42 im effektiven Pixelbereich 50 entspricht der Fläche (= a₂ × b₂) des Bereichs 52 im vertikalen OPB Bereich 45V. Der Lesegatebereich 54 in jedem effektiven Pixel weist eine Gatelänge d₁ auf und der Lesegatebereich 54 in jedem optischen Schwarzpixel weist eine Gatelänge d₂ auf. Die Gatelänge d₂ ist kleiner als die Gatelänge d₁ eingestellt. Die obigen Bedingungen können lediglich auf den vertikalen OPB Bereich 45V in der Ladungstransferrichtung des vertikalen Transferregisterbereichs 43 angewandt werden.
3 zeigt einen Schnittaufbau des effektiven Pixelgebiets 44 entlang der Linie G₁-G₁' in 2, und 4 zeigt einen Schnittaufbau des vertikalen OPB Bereichs 45V entlang der Linie H₁-H₁' in 2.
Wie in 3 gezeigt ist, weist das effektive Pixelgebiet 44 einen Schnittaufbau auf, der ähnlich zu dem in 14 und 15 gezeigten herkömmlichen Aufbau ist. Somit ist ein Siliziumsubstrat 62 eines ersten Leitungstyps, z. B. n-Typ, vorgesehen und ein erstes Halbleiterwannengebiet 63 eines zweiten Leitungstyps, d. h. p-Typ, ist auf dem Siliziumsubstrat 62 ausgebildet. Ein n-Typ Halbleitergebiet 64 ist auf der Oberseite des ersten p-Typ Halbleiterwannengebiets 63 ausgebildet und ein positives p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 65 ist auf der Oberseite des n-Typ Halbleitergebiets 64 zur Ausbildung des Fotosensorbereichs 42 ausgebildet.
Ein zweites p-Typ Halbleiterwannengebiet 66 und ein n-Typ Transferkanalgebiet 67 sind in dem ersten p-Typ Halbleiterwannengebiet 63 an einer vom Fotosensorbereich 42 getrennten Position ausgebildet. Ein p-Typ Kanalstoppgebiet 69 ist ebenso im ersten p-Typ Halbleiterwannengebiet 63 ausgebildet. Der Fotosensorbereich 42 als sogenannter HAD Sensor wird über das erste p-Typ Halbleiterwannengebiet 63, das n-Typ Halbleitergebiet 64 und das positive p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 65 ausgebildet.
Das erste p-Typ Halbleiterwannengebiet 63 dient als sogenanntes Überlauf-Barrierengebiet und das Substrat 62 dient als sogenanntes Überlauf-Draingebiet, wodurch eine vertikale Überlauf-Drainstruktur ausgebildet wird.
Der Lesegatebereich 54 ist zwischen dem Fotosensorbereich 42 und dem nachfolgend zu beschreibenden vertikalen Transferregisterbereich 43 ausgebildet. Ein p-Typ Halbleitergebiet 70 ist in der Oberfläche des Substrats an einer dem Lesegatebereich 54 entsprechenden Position ausgebildet.
Eine Transferelektrode 72 aus z. B. Polysilizium wird durch einen Gateisolationsfilm 71 auf dem Transferkanalgebiet 67, dem Kanalstoppgebiet 69 und dem p-Typ Halbleitergebiet 70 des Lesegatebereichs 54 ausgebildet. Der vertikale Transferregisterbereich 43 mit einer CCD Struktur ist auf dem Transferkanalgebiet 67, dem Gateisolationsfilm 71 und der Transferelektrode 72 ausgebildet. Wie in 2 gezeigt ist, weist die Transferelektrode 72 einen Doppelschichtaufbau bestehend aus z. B. Elektroden 72A und 72B auf.
Ein Zwischenschichtdielektrikum 73 ist ebenso zur Bedeckung der Transferelektrode 72 ausgebildet und ein Lichtabschirmungsfilm 75 wie ein Al Film ist auf der gesamten Oberfläche, ausgenommen einer Öffnung 74 des Fotosensorbereichs 42, ausgebildet.
Wie in 4 gezeigt ist, weist der vertikale OPB Bereich 45V ebenso einen Schnittaufbau auf, der ähnlich zu dem in 16 und 17 gezeigten herkömmlichen Aufbau ist. Somit ist das n-Typ Halbleitergebiet 64 nicht in dem dem Fotosensorbereich 42 entsprechenden Bereich 52 ausgebildet, sondern es ist lediglich das positive p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 65 auf der Oberseite des ersten p-Typ Halbleiterwannengebiets 63 im Bereich 52 ausgebildet. Somit wird im Bereich 52 keine Fotodiode ausgebildet. Zudem ist der Lichtabschirmungsfilm 75 auf der gesamten Oberfläche einschließlich des Bereichs 52 ausgebildet.
Der weitere Aufbau ähnelt dem des effektiven Pixelgebiets 44, so dass übereinstimmende Teile mit denselben Bezugskennzeichen gekennzeichnet werden und auf eine Beschreibung derselben wird zur Vermeidung von Wiederholungen verzichtet.
In der Festkörperbildaufnahmevorrichtung 411 werden die durch opto-elektrische Umwandlung im Fotosensorbereich 42 im effektiven Pixelgebiet 44 erhaltene Signalladung und die Ladung des vertikalen OPB Bereichs 45V in gegebenen Abständen in den vertikalen Registerbereich 43 gelesen und dann in Richtung des horizontalen Transferregisterbereichs 47 mit Hilfe von z. B. vertikalen 4-Phasen Ansteuertaktpulsen ∅V₁, ∅V₂, ∅V₃ und ∅V₄ transferiert, siehe 21. Im horizontalen Transferregisterbereich 47 werden die Ladung des vertikalen OPB Bereichs 45V und die Signalladung im Fotosensorbereichs 42, welche beide vom vertikalen Transferregisterbereich 43 transferiert werden, sequenziell dem Ladungsdetektionsbereich 48 Bit um Bit mit Hilfe der horizontalen 2-Phasen Ansteuertaktpulse ∅H₁ und ∅H₂ zugeführt. Im Ladungsdetektionsbereich 48 wird die eingespeiste Ladung in eine Spannung umgewandelt, die dann als Spannungssignal ausgegeben wird. Im vertikalen OPB Bereich 45V wird kein einfallendes Licht empfangen und somit keine opto-elektrische Umwandlung durchgeführt. Folglich wird tatsächlich keine Ladung ausgelesen und es wird ein Schwarzpegelsignal aus dem Ladungsdetektionsbereich 48 ausgegeben.
Gemäß der CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung 411 der ersten Ausbildungsform wird die Registerbreite W₂ des vertikalen Transferregisterbereichs 43 im vertikalen OPB Bereich 45V größer als die Registerbreite W₁ des vertikalen Transferregisterbereichs 43 im effektiven Pixelbereich 50 eingestellt, so dass eine Ladungsspeicherkapazität (sogenannte maximale handhabbare Ladungsmenge) des vertikalen Transferregisterbereichs 43 im vertikalen OPB Bereich 45V teilweise vergrößert werden kann.
Dadurch kann die Ladungsspeicherkapazität in einem Bereich, in dem der dynamische Bereich der Festkörperbildaufnahmevorrichtung lokal am stärksten bestimmt ist (im vertikalen Transferregisterbereich 43 des vertikalen OPB Bereichs 45V), vergrößert werden.
Schwankt selbst das Potential im Transferbereich des vertikalen Transferregisterbereichs 43 des vertikalen OPB Bereichs 45, wie in 20 insbesondere zum Zeitpunkt des elektronischen Verschlusses gezeigt ist, so kann weiterhin eine ausreichende Ladungsspeicherkapazität erzielt werden, so dass der allgemeine dynamische Bereich in der Festkörperbildaufnahmevorrichtung 411 verbessert werden kann. Selbst wenn der p-Typ Fremdstoff im positiven p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 65, das durch Ionenimplantation ausgebildet ist, in das n-Typ Transferkanalgebiet 67 im vertikalen OPB Bereich 45V diffundiert, kann eine effektive Registerbreite des vertikalen Transferregisterbereichs 43 ausreichend sichergestellt werden, da die n-Typ Transferkanalbreite groß ist.
Im vertikalen OPB Bereich 45V erfolgt im Wesentlichen kein Lesen von Ladung aus dem dem Fotosensorbereich 42 entsprechenden Bereich 52. Folglich kann die Registerbreite W₂ in Richtung des Lesegatebereichs 54 weiter ausgedehnt werden, und die weiteren Eigenschaften werden durch die Ausdehnung der Registerbreite W₂ nicht in erheblichem Maße beeinflusst.
Mit dem Aufbau dieser bevorzugten Ausführungsform kann die Linearität der Empfindlichkeit und damit auch die Empfindlichkeit und das S/N Verhältnis verbessert werden.
5 bis 8 zeigen eine CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung gemäß einem Beispiel.
5 zeigt eine schematische Ansicht des allgemeinen Aufbaus des Beispiels. 6 zeigt eine vergrößerte Aufsicht auf einen grundlegenden Teil (effektiver Pixelbereich und vertikaler OPB Bereich) des Beispiels, 7 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie G₂-G₂' in 6 und 8 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie H₂-H₂' in 6.
In 5 kennzeichnet das Bezugskennzeichen 412 allgemein eine Festkörperbildaufnahmevorrichtung gemäß dem Beispiel. In jeder Pixelspalte wird die Fläche (= a₂ × b₃) eines Bereichs 52 in einem vertikalen OPB Bereich 45V, der einem Fotosensorbereich 42 im effektiven Pixelgebiet 44 entspricht, und folglich ein effektiver Pixelbereich 50 kleiner eingestellt als die Fläche (= a₁ × b₁) des Fotosensorbereichs 42 im effektiven Pixelbereich 50.
Gilt a₁ = a₂ und b₁ > b₃, so wird die Fläche des Bereichs 52 im vertikalen OPB Bereich 45V, der dem Fotosensorbereich 42 im effektiven Pixelbereich 50 entspricht, reduziert.
Die Registerbreite eines vertikalen Transferbereichs 43 ist auf eine gleichmäßige Breite W₁ eingestellt. Somit ist die Registerbreite eines Bereichs des vertikalen Transferregisterbereichs 43 im effektiven Pixelbereich 50 auf W₁ eingestellt und die Registerbreite eines Bereichs des vertikalen Transferregisterbereichs 43 im vertikalen OPB Bereich 45V ist ebenso auf W₁ eingestellt.
Folglich ist die Gatelänge d₃ eines Lesegatebereichs 54 im vertikalen OPB Bereich 45V größer als die Gatelänge d₁ eines Lesegatebereichs 54 im effektiven Pixelbereich 50 (d. h. d₁ < d₃).
Die weitere Konfiguration ähnelt denjenigen von 1 bis 4, so dass übereinstimmende Teile mit denselben Bezugskennzeichen versehen werden und auf eine Beschreibung derselben wird zur Vermeidung von Wiederholungen verzichtet.
Gemäß der CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung 412 dieses Beispiels wird die Fläche des Bereichs 52 im vertikalen OPB Bereich 45V, der dem Fotosensorbereich 42 entspricht, kleiner eingestellt als die Fläche des Fotosensorbereichs 42 im effektiven Pixelbereich 50, wodurch die Gatelänge d₃ des Lesegatebereichs 54 zwischen dem Bereich 52 und dem vertikalen Transferregisterbereich 43 größer eingestellt wird als die Gatelänge d₁ des Lesegatebereichs 54 zwischen dem Fotosensorbereich 42 und dem vertikalen Transferregisterbereich 43. Dadurch lässt sich der Abstand zwischen dem positiven p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 65 im vertikalen OPB Bereich 45V und dem vertikalen Transferregisterbereich 43 vergrößern.
Folglich ist es möglich, den Einfluss einer Kopplungskapazität C zwischen dem positiven p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 65 und dem Substrat 62 auf den vertikalen Transferregisterbereich 43 während des elektronischen Verschlusses zu reduzieren.
Folglich lässt sich eine ausreichende Ladungsspeicherkapazität im Transferbereich des vertikalen Transferregisterbereichs 43 im vertikalen OPB Bereich 45V erzielen. Somit ist es möglich, eine Ladungsspeicherkapa zität zu erzielen, die derjenigen des Transferbereichs des vertikalen Transferregisterbereichs 43 im effektiven Pixelbereich 50 ähnelt.
Der Abstand zwischen dem Bereich 52 und dem vertikalen Transferregisterbereich 43, d. h. die Gatelänge d₃ des Lesegatebereichs 54 im vertikalen OPB Bereich 45V, ist größer als diejenige (= d₁) im effektiven Pixelbereich 50. Folglich lässt sich die Diffusion von p-Typ Fremdstoffen im positiven p⁺⁺ Ladungsspeichergebiet 65, das durch Ionenimplantation ausgebildet wurde, in das n-Typ Transferkanalgebiet 67 im vertikalen OPB Bereich 45V vermeiden, so dass die Kanalbreite des n-Typ Transferkanalgebiets 67, d. h. die Registerbreite W₁ im Wesentlichen nicht reduziert wird.
Dadurch lässt sich der dynamische Bereich im Transferbereich des vertikalen Transferregisterbereichs 43 im vertikalen OPB Bereich 45V vergrößern, um den allgemeinen dynamischen Bereich in der Festkörperbildaufnahmevorrichtung 412 zu erhöhen.
Zudem kann, wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform, die Linearität der Empfindlichkeit verbessert werden und damit auch die Empfindlichkeit sowie das S/N Verhältnis.
Ebenso erfolgt in diesem Beispiel im Wesentlichen kein Lesen von Ladung aus dem Bereich 52 im vertikalen OPB Bereich 45V, der dem Fotosensorbereich 42 entspricht, so dass die Abnahme der Fläche des Bereichs 52 lediglich einen geringen Einfluss auf die weiteren Eigenschaften hat.
9 bis 12 zeigen eine zweite bevorzugte Ausführungsform der CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung gemäß der Erfindung.
9 zeigt eine schematische Ansicht des allgemeinen Aufbaus der zweiten bevorzugten Ausführungsform, 10 zeigt eine vergrößerte Aufsicht auf einen grundlegenden Teil (effektiver Pixelbereich und vertikaler OPB Bereich) der zweiten bevorzugten Ausführungsform, 11 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie G₃-G₃' in 10, und 12 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie H₃-H₃' in 10.
In 9 kennzeichnet das Bezugskennzeichen 413 allgemein eine Festkörperbildaufnahmevorrichtung gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Registerbreite W₃ eines Bereichs des vertikalen Transferregisterbereichs 43 im vertikalen OPB Bereich 45V in Richtung des Lesegatebereichs 54 ausgedehnt, so dass die Registerbreite W₃ größer eingestellt ist als die Registerbreite W₁ eines Bereichs des vertikalen Transferregisterbereichs 43 im effektiven Pixelgebiet 44, d. h, im effektiven Pixelbereich 50 (d. h. W₁ < W₃). Zusätzlich ist in jeder Pixelspalte die Fläche (= a₂ × b₄) eines Bereichs 52 im vertikalen OPB Bereich 45V, der dem Fotosensorbereich 42 im effektiven Pixelbereich 50 zuge ordnet ist, kleiner eingestellt als die Fläche (= a₁ × b₁) des Fotosensorbereichs 42.
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Gatelänge (= d₁) des Lesegatebereichs 54 im effektiven Pixelbereich 50 gleich der Gatelänge (= d₁) des Lesegatebereichs 54 im vertikalen OPB Bereich 45V eingestellt.
Der weitere Aufbau ähnelt den Aufbauten von 1 bis 4 und übereinstimmende Teile werden mit denselben Bezugskennzeichen bezeichnet und auf eine Beschreibung derselben wird zur Vermeidung von Wiederholungen verzichtet.
Gemäß der CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung 413 der dritten bevorzugten Ausführungsform kann die Registerbreite W₃ des vertikalen Transferregisterbereichs 43 im vertikalen OPB Bereich 45V größer gemacht werden als die Registerbreite W₂ in der ersten bevorzugten Ausführungsform von 2, so dass die Ladungsspeicherkapazität in dem Transferbereich gegenüber der ersten bevorzugten Ausführungsform erhöht werden kann.
Folglich lässt sich der allgemeine dynamische Bereich in der Festkörperbildaufnahmevorrichtung 413 verbessern. Zusätzlich kann die Linearität der Empfindlichkeit, die Empfindlichkeit und das S/N Verhältnis verbessert werden.
Während die für jede der obigen bevorzugten Ausführungsformen beschriebene CCD Festkörperbildaufnahmevorrichtung einen zweidimensionaler Bildsensor darstellt, kann diese Erfindung auf einen linearen Bildsensor mit einem effektiven Pixelbereich übertragen werden, der aus einer Mehrzahl effektiver Pixel und einem optischen Schwarzbereich auf einer Seite und einem auf der anderen Seite angeordneten herkömmlichen Ladungstransferregisterbereich besteht.
Zusätzlich ist die in jeder der obigen Ausführungsformen beschriebene Festkörperbildaufnahmevorrichtung vom Interline Transfer (IT) Typ, wobei diese Erfindung jedoch auch auf eine Festkörperbildaufnahmevorrichtung vom Frame Interline Transfer (FIT) Typ übertragen werden kann.
Mit der Festkörperbildaufnahmevorrichtung dieser Erfindung ist es möglich, eine Ladungsspeicherkapazität in einem Gebiet zu erhöhen, in dem ein dynamischer Bereich lokal am stärksten bestimmt ist, d. h. im Ladungstransferregisterbereich im optischen Schwarzbereich.
Somit kann der allgemeine dynamische Bereich der Festkörperbildaufnahmevorrichtung verbessert werden. Zusätzlich kann die Erhöhung der handhabbaren Ladungsmenge Verbesserungen in der Linearität der Empfindlichkeit, der Empfindlichkeit und dem S/N Verhältnis hervorrufen.
Dadurch kann diese Erfindung in geeigneter Weise auf eine Festkörperbildaufnahmevorrichtung mit kleiner Größe und einer erhöhten Anzahl von Pixel übertragen werden.

Claims

Festkörperbildaufnahmevorrichtung mit: einem fotoempfindlichen Gebiet (44) mit einem in Zeilen und Spalten angeordneten Pixel-Array in einem Halbleitersubstrat; wobei jedes Pixel (49) einen Sensorbereich (42) zum Empfangen von Licht aufweist, der Sensor ein Halbleitergebiet (64) von einem ersten Leitungstyp und ein Halbleitergebiet von einem zweiten Leitungstyp (65) aufweist, das Halbleitergebiet vom zweiten Leitungstyp (65) auf der Oberfläche des Substrats (62) oberhalb des Halbleitergebiets (64) vom ersten Leitungstyp angeordnet ist und der Sensorbereich (42) mit einem vertikalen Ladungstransferregisterbereich (43) über einen ein zweites Halbleitergebiet (70) aufweisenden Lesegatebereich (54) verbunden ist; einem optischen Schwarzbereich (51, 45V), der einem Pixelbereich (52) entspricht, von eingehendem Licht abgeschirmt ist und lediglich das Halbleitergebiet vom zweiten Leitungstyp (65) aufweist; einem vertikalen Ladungstransferregister (43) zum Überführen des Fotosignals vom Sensorbereich (42) zu einem Ausgang, wobei das Transferregister gewöhnlich von einer Spalte der Pixel des fotoempfindlichen Gebiets (44) und dem optischen Schwarzbereich (45V) gemeinsam verwendet wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des vertikalen Ladungstransferregisterbereichs in der Zeilenrichtung im optischen Schwarzbereich (W2) größer eingestellt ist als die Breite des vertikalen Ladungstransferregisterbereichs in der Zeilenrichtung im fotoempfindlichen Gebiet (W1).
Festkörperbildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Spannung an das Substrat angelegt ist.