DE60032988T2

DE60032988T2 - Ladungstransferpfad mit verbesserter ladungstransferleistung und festkörper-bild-aufnahmevorrichtung, die einen solchen ladungstransferpfad verwendet

Info

Publication number: DE60032988T2
Application number: DE60032988T
Authority: DE
Inventors: Ltd Tetsuo c/o Fuji Film Microdevices Co Kurokawa-gun Yamada
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 2000-10-09
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2020-10-10
Also published as: JP4199387B2; KR20010067283A; US6914633B1; JP2001111027A; DE60032988D1; KR100553854B1; EP1091412A3; EP1091412A2; EP1091412B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuen Ladungstransferpfad und eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, die ihn verwendet, und insbesondere einen Ladungstransferpfad mit einer verbesserten Ladungstransferleistung und eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, die einen solchen Ladungstransferpfad verwendet.
In dieser Beschreibung soll Transfer- bzw. Übertragungsleistung die Bedeutung eines Konzepts haben, das sowohl eine Übertragungsgeschwindigkeit als auch eine Übertragungseffizienz enthält.
b) Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Ein Ladungstransferpfad kann durch Ausbilden eines sich in vertikaler Richtung erstreckenden Transferkanalbereichs eines ersten Leitfähigkeitstyps auf der Oberfläche eines Halbleiterbereichs eines ersten Leitfähigkeitstyps und durch Ausbilden einer Vielzahl von Transferelektroden auf der Oberfläche des Übertragungskanalbereichs über einen Isolierfilm hergestellt werden. Die Transferelektrode koppelt den Transferkanalbereich kapazitiv und kann das Potential des Transfer kanalbereichs durch Einstellen einer an die Elektrode angelegten Spannung steuern. Um elektrische Ladungen kontinuierlich zu transferieren, ist eine Vielzahl von Transferelektroden über dem Transferkanalbereich ausgebildet, so dass Endteile der Elektroden einander überlagern.
Ein Beispiel von Halbleitervorrichtungen unter Verwendung solcher Ladungstransferpfade ist eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung. Eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung hat fotoelektrische Wandlerelemente, die in einer Matrixform in einem Lichtempfangsbereich angeordnet sind, und Ladungstransferpfade, die nahe jeweiliger fotoelektrischer Wandlerspalten ausgebildet sind. In einem jeweiligen fotoelektrischen Wandlerelement akkumulierte elektrische Ladungen werden zum Ladungstransferpfad gelesen und transferiert, um die elektrischen Ladungen, die Bildinformation darstellen, möglicherweise zu einer externen Schaltung zuzuführen.
Allgemein sind fotoelektrische Wandlerelemente in einer quadratischen Matrixform angeordnet und sind Ladungstransferpfade linear entlang einer Spaltenrichtung nahe jeweiliger Spalten mit fotoelektrischen Wandlerelementen ausgebildet. Transferelektroden zum Steuern der Potentiale von Ladungstransferpfaden erstrecken sich entlang einer Zeilenrichtung und haben jeweils eine Form, die sich von dem Bereich eines jeweiligen fotoelektrischen Wandlerelements zurückzieht.
JP-A-288856 schlägt eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung vor, die ein Pixelverschiebungslayout annimmt, das Pixel in sowohl Spalten- als Zeilenrichtungen um etwa eine halbe Teilung verschiebt. Fotoelektrische Wandlerelemente als Pixel in jeder Spalte sind in einer konstanten Teilung angeordnet und fotoelektrische Wandlerelemente in jeder Zeile sind auch in einer konstanten Teilung angeordnet.
Fotoelektrische Wandlerelemente in jeder geraden Spalte sind um etwa eine halbe Teilung davon von fotoelektrischen Wandlerelementen in jeder ungeraden Spalte verschoben angeordnet. Fotoelektrische Wandlerelemente in jeder geraden Zeile sind um etwa eine halbe Teilung davon von fotoelektrischen Wandlerelementen in jeder ungeraden Zeile verschoben angeordnet.
11 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur einer solchen Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zeigt. Eine Anzahl von Pixeln (fotoelektrischen Wandlerelementen) PIX ist in einer Matrixform bei einer Teilung PV in der Spaltenrichtung und bei einer Teilung PH in der Zeilenrichtung angeordnet. Fotoelektrische Wandlerelemente in benachbarten Spalten sind um etwa eine halbe Teilung von PV in der Spaltenrichtung verschoben angeordnet und fotoelektrische Wandlerelemente in benachbarten Zeilen sind um etwa eine halbe Teilung von PH in der Zeilenrichtung angeordnet.
Ein Farbfilter ist an jedem Pixel PIX ausgebildet, um eine farbige Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung auszubilden. Farben von jeweiligen Pixeln sind durch G (Grün), B (Blau) und R (Rot) dargestellt. Ein Kanalstoppbereich CS erstreckt sich in der Spaltenrichtung, während er eine Seite von Pixeln PIX umgibt und die Spalte von fotoelektrischen Wandlerelementen von anderen Spalten elektrisch isoliert. Ein vertikaler Ladungstransferkanal ist daher in einem Bereich ausgebildet, der in Sandwichbauweise zwischen dem Kanalstoppbereich CS und entsprechenden Pixeln PIX angeordnet ist.
Ladungstransferelektroden E1 und E2, die sich in der Zeilenrichtung erstrecken, sind durch einen ersten und einen zweiten Polysiliziumfilm ausgebildet, die auf der Halbleitersubstratfläche über Siliziumoxidfilme ausgebildet sind. Der erste und der zweite Polysiliziumfilm sind mit Siliziumoxidfilmen bedeckt, um sie elektrisch zu isolieren.
Zwei Ladungstransferelektroden sind für jede Zeile ausgebildet. Bei der in 11 gezeigten Anordnung ist ein Pixel PIX für zwei Zeilen in jeder Spalte ausgebildet, so dass vier Transferelektroden für jedes Pixel in jeder Spalte ausgebildet sind. Diese vier Elektroden pro Pixel werden vierphasig angetrieben, so dass elektrische Ladungen, die aus jedem Pixel gelesen werden, in der vertikalen Richtung unabhängig transferiert werden können.
Eine Vielzahl von Ladungstransferelektroden zum Transferieren von elektrischen Ladungen in den Ladungstransferpfaden entlang der Spaltenrichtung ist derart angeordnet, dass sie in der Spaltenrichtung überlagert sind. Mit dem Pixelverschiebungslayout können die Positionen benachbarter Pixel derart angeordnet sein, dass sie in sowohl der Zeilen- als auch der Spaltenrichtung überlagert sind. Es ist auch einfach, eine Vielzahl von Informationsstücken bei derselben Position durch eine Interpolation von Information benachbarter Pixel zu erlangen. Dieses Pixelverschiebungslayout ist daher effektiv zum Erhalten eines Bilds mit einer hohen Pixeldichte.
Da jedoch der Bereich jedes Pixels größer geworden ist, ist es wesentlich, dass der Transferpfad eine Zickzackform hat. Ein Transferpfad in Zickzackform hat eine längere Ladungstransferentfernung bzw. -strecke als ein linearer Transferpfad. Wenn die Transferentfernung länger wird, ist es wahrscheinlich, dass die Transferzeit lang wird.
DE-A-4226828 offenbart eine Ladungstransfervorrichtung mit einer Zickzackanordnung von VCCDs.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ladungstransferpfad zur Verfügung zu stellen, der eine Transferleistung verbessern kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zur Verfügung zu stellen, die ein Pixelverschiebungslayout hat, das eine hohe Pixelintegration realisieren und eine Transferleistung jedes Transferpfads verbessern kann, ohne die Leistung fotoelektrischer Wandlerelemente zu verschlechtern.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Verfahren zum Antreiben einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit einem Pixelverschiebungslayout zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ladungstransferpfad zur Verfügung gestellt, der folgendes aufweist:
ein Halbleitersubstrat mit einem Oberflächenbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps;
einen Kanalbereich, der im Oberflächenbereich ausgebildet ist und sich im Wesentlichen entlang einer Richtung (einer Ausdehnungsrichtung) auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats erstreckt, wobei der Kanalbereich einen zweiten Leitfähigkeitstyp hat, der entgegengesetzt zum ersten Leitfähigkeitstyp ist, und eine ebene Form hat, die durch ein Paar von Seitenrändern definiert ist; und
eine Vielzahl von Transferelektroden, die den Kanalbereich queren, wobei die Transferelektroden eine Überlagerungsstruktur haben, so dass Endteile be nachbarter Transferelektroden überlagern, um eine Vielzahl von Grenzlinien des Kanalbereichs zu definieren, und eine Vielzahl von Ladungstransferabschnitten definieren, die durch die Grenzlinien im Kanalbereich aufgeteilt sind,
wobei der Kanalbereich einen Bereich enthält, wo eine Vielzahl von Ladungstransferabschnitten entlang einer Richtung senkrecht zur Ausdehnungsrichtung nebeneinander liegend ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zur Verfügung gestellt, die folgendes aufweist: einen solchen Transferpfad und eine Anzahl von fotoelektrischen Wandlerelementen, die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats entlang einer Vielzahl von Zeilen und Spalten in konstanten Teilungen angeordnet sind, wobei die fotoelektrischen Wandlerelemente in einer geraden Spalte um etwa eine Hälfte einer Teilung von fotoelektrischen Wandlerelementen in der geraden Spalte von den fotoelektrischen Wandlerelementen in einer ungeraden Spalte verschoben sind, wobei die fotoelektrischen Wandlerelemente in einer geraden Zeile um etwa eine Hälfte einer Teilung von fotoelektrischen Wandlerelementen in der geraden Zeile von den fotoelektrischen Wandlerelementen in einer ungeraden Zeile verschoben sind, und wobei jede Spalte von fotoelektrischen Wandlerelementen nur die fotoelektrischen Wandlerelemente in entweder der ungeraden Spalte oder der geraden Spalte enthält.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Antreiben einer solchen Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zur Verfügung gestellt.
Mit der oben beschriebenen Anordnung kann die Transferleistung eines Ladungstransferpfads verbessert werden.
Ein Ladungstransferpfad in Zickzackform mit einer höheren Transferleistung als ein linearer Ladungstransferpfad kann realisiert werden.
Es ist erwünscht, dass eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit einem Pixelverschiebungslayout Ladungstransferpfade in Zickzackform hat. Probleme, die mit Ladungstransferpfaden in Zickzackform verbunden sind, die oben beschrieben sind, können gelöst werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nun nur anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden.
1 ist eine schematische Draufsicht auf eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2A und 2B sind schematische Diagramme, die das Oberflächenlayout eines Halbleitersubstrats mit störstellendotierten Bereichen darin ausgebildet und eine Querschnittsansicht des Substrats gemäß der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels zeigen.
3A, 3B und 3C sind Draufsichten, die die Muster von zweischichtigen Transferelektroden und Querschnittsansichten entlang der Linien IIIB-IIIB und IIIC-IIIC, die in 3A gezeigt sind, gemäß der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels zeigen.
4A und 4B sind Diagramme, die Abschnitte eines Ladungstransferkanals und einer schematischen Querschnittsansicht, die Effekte eines schmalen Kanals darstellt, gemäß der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels zeigen.
5 ist eine schematische Draufsicht, die eine elektrische Verbindung einer Treiberschaltung gemäß der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
6 ist ein Zeitdiagramm, das schematisch ein Verfahren zum Antreiben der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels darstellt.
7 ist eine Draufsicht, die eine Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
8A und 8B sind schematische Draufsichten, die die Strukturen einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihre Modifikation zeigen.
9A und 9B sind schematische Draufsichten, die die Strukturen einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihre Modifikation zeigen.
10A, 10B, 10C und 10D sind schematische Draufsichten, die die Muster eines Ladungstransferpfads gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen.
11 ist eine schematisches Diagramm, das die Struktur einer früher durch den gegenwärtigen Erfinder vorgeschlagenen Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zeigt.
Die 1 bis 5 zeigen eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 1 ist eine Draufsicht eines Halbleitersubstrats mit darauf ausgebildeten Transferelektroden. 2A ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Oberflächenlayouts eins Halbleitersubstrats mit darin ausgebildeten störstellendotierten Bereichen zeigt. 2B ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der in 2A gezeigten Linie IIB-IIB. 3A ist ein schematisches Diagramm, das das Layout von zweischichtigen Polysiliziumelektroden zeigt, die auf der Substratoberfläche ausgebildet sind, und die 3B und 3C sind schematische Querschnittsansichten des Halbleitersubstrats entlang der Linien IIIB-IIIB und IIIC-IIIC, die in 3A gezeigt sind.
Wie es in 1 gezeigt ist, sind auf der Oberfläche eines aus Silizium oder ähnlichem hergestellten Halbleitersubstrats n-Typ-Bereiche 3 in einer Matrixform als Ladungsakkumulationsbereiche fotoelektrischer Wandlerelemente angeordnet. Bei der in 1 gezeigten Anordnung sind n-Typ-Bereiche 3 in einer ungeraden Spalte derart angeordnet, dass sie um etwa eine halbe Teilung von n-Typ-Bereichen 3 in einer geraden Spalte verschoben sind, und sind auch n-Typ-Bereiche in einer ungeraden Zeile derart angeordnet, dass sie um etwa eine halbe Teilung von n-Typ-Bereichen 3 in einer geraden Zeile verschoben sind.
Wie es in 2A gezeigt ist, ist ein p⁺-Typ-Bereich 7 derart ausgebildet, dass er sich in der Spaltenrichtung auf der Seite der Spalte, die am weitesten links ist, erstreckt und die linken Seiten von n-Typ-Bereichen 3 umgibt. Der p⁺-Typ-Bereich 7 isoliert jede Spalte elektrisch. Ein n-Typ-Bereich 5 ist in einer Zickzackform in der Spaltenrichtung ausgebildet, während er sich zwischen dem p⁺-Typ-Bereich und dem n-Typ-Bereich der linken Seite in einem Bereich zwischen benachbarten p⁺-Typ-Bereichen 7 schlängelt. Zwischen diesem n-Typ-Bereich 5 und dem n-Typ-Bereich 3 ist ein p^–-Typ-Bereich 2 freigelegt, um einen Lesegatterbereich zu bilden.
Wie es in 2B gezeigt ist, ist der p^–-Typ-Bereich 2 aus einer p-Typ-Wanne hergestellt, die in einem n-Typ-Siliziumsubstrat 1 ausgebildet ist. In dieser p-Typ-Wanne 2 sind die n-Typ-Bereiche 3 und 5 und der p⁺-Typ-Bereich 7 ausgebildet. Der n-Typ-Bereich 3 bildet einen Ladungsakkumulationsbereich einer Fotodiode, die ein fotoelektrisches Wandlerelement als Pixel ausbildet. Der Ladungsakkumulationsbereich wird in dieser Beschreibung auch fotoelektrisches Wandlerelement genannt. Der n-Typ-Bereich 5 bildet einen vertikalen Transferkanal zum Transferieren elektrischer Ladungen in der Spaltenrichtung. Jeder störstellendotierte Bereich ist beispielsweise durch eine Ionenimplantation und einer folgenden Vergütung bzw. Aushärtung ausgebildet.
Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats mit der in den 2A und 2B gezeigten Struktur ist ein Isolierfilm, wie beispielsweise ein Siliziumoxidfilm, durch eine thermische Oxidation ausgebildet, und darauf folgend wird eine gestapelte Struktur aus Transferelektroden, die aus Polysilizium oder ähnlichem hergestellt sind, ausgebildet.
3A ist eine Draufsicht, die die Form von Transferelektroden zeigt. Die 3B und 3C sind Querschnittsansichten entlang der Linien IIIB-IIIB und IIIC-IIIC, die in 3A gezeigt sind.
Ein thermischer Oxidationsfilm 8 ist auf der Halbleitersubstratoberfläche ausgebildet und ein Polysiliziumfilm einer ersten Schicht ist auf diesem thermischen Oxidationsfilm 8 ausgebildet. Die erste Polysiliziumschicht ist durch Fotolithographie und Ätzen gemustert, um erste Polysilizium-Transferelektroden 11a und 11b auszubilden. Die ersten Polysilizium-Transferelektroden 11a und 11b haben Muster, wie es beispielsweise in 3A gezeigt ist, und sind die obere Seite der n-Typ-Bereiche 3 als Ladungsakkumulationsbereiche umgebend angeordnet.
Nachdem die ersten Polysilizium-Transferelektroden 11a und 11b ausgebildet sind, wird ein Oxidfilm 9 durch eine thermische Oxidation auf der Substratoberfläche ausgebildet. Nachdem der Film 9 einer thermischen Oxidation ausgebildet ist, wird eine zweite Polysiliziumschicht über der Substratoberfläche ausgebildet. Die zweite Polysiliziumschicht wird durch Fotolithographie und Ätzen gemustert, um zweite Polysilizium-Transferelektroden 12a und 12b auszubilden. Die zweiten Polysilizium-Transferelektroden haben Muster, die durch Linien mit einem Strich und zwei Punkten in 3A angezeigt sind, und umgeben die untere Seite der n-Typ-Bereiche 3.
Wie es in den 3B und 3C gezeigt ist, haben die ersten Polysiliziumelektroden 11 (eine gemeinsame Darstellung von 11a und 11b) und die zweiten Polysilizium-Transferelektroden 12 (eine gemeinsame Darstellung von 12a und 12b) eine überlagerte Struktur, wobei Endteile aufeinander gestapelt sind.
Die Struktur, bei welcher die in 3A gestapelten Transferelektroden auf dem in 2A gezeigten Substrat ausgebildet sind, wird so, wie es in 1 gezeigt ist.
Nachdem die gestapelten Transferelektroden 11 und 12 ausgebildet sind, wird ein Isolierfilm 14 mit einer flachen Oberfläche über den gestapelten Transferelektroden 11 und 12 ausgebildet, wie es in den 3B und 3C gezeigt ist. Beispielsweise ist der Isolierfilm 14 aus einer Laminierung eines Siliziumoxid enthaltenden Isolierfilms und eines Isolierfilms mit einer Planarisierungsfunktion hergestellt. Eine Farbfilterschicht 15 ist auf diesem Isolierfilm 14 ausgebildet.
Die Farbfilterschicht 15 bedeckt den Ladungsakkumulationsbereich 3 jedes Pixels und lässt zu, dass Licht mit nur einer erwünschten Wellenlänge auf jedes Pixel einfällt. Ein planarisierender Isolierfilm mit einer Planarisierungsfunktion wird wiederum auf der Farbfilterschicht 15 ausgebildet und ein Lichtabschirmungsfilm wird auf dem planarisierenden Isolierfilm ausgebildet. Der Lichtabschirmungsfilm hat Öffnungen in Bereichen entsprechend der Ladungsakkumulationsbereiche. Ein weiterer planarisierender Film mit einer Planarisierungsfunktion wird wiederum auf dem Lichtabschirmungsfilm ausgebildet und Mikrolinsen werden auf dem planarisierenden Film ausgebildet. Für die allgemeine Struktur einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung wird beispielsweise auf die Beschreibungen von Ausführungsbeispielen in JP-A-61-25224 verwiesen.
Wie es in 1 gezeigt ist, ist der Transferkanalbereich 5, der mit den gestapelten Transferelektroden darauf ausgebildet ist, durch die Transferelektroden in eine Vielzahl von Abschnitten aufgeteilt. Diese Abschnitte sind durch Grenzlinien 6 der ersten Polysilizium-Transferelektroden 11 definiert.
4A ist eine schematische Draufsicht, die Abschnitte des Transferkanalbereichs 5 zeigt. Der Transferkanalbereich 5 ist durch die ersten und zweiten Polysilizium-Transferelektroden 11 und 12, die über dem Kanalbereich 5 ausgebildet sind, in Abschnitte S1, S2, S3 und S4 aufgeteilt. Diese vier Abschnitte S1 bis S4 sind in der Spaltenrichtung wiederholt angeordnet.
Die zweite Polysilizium-Transferelektrode 12 ist im ersten Abschnitt S1 angeordnet. Die erste Polysilizium-Transferelektrode 11 ist im zweiten Abschnitt S2 angeordnet. Gleichermaßen sind die zweite und die erste Polysilizium-Transferelektrode 12 und 11 jeweils im Abschnitt S3 und S4 angeordnet. Eine ungerade Transferspalte hat eine Form, die um etwa eine halbe Teilung in der Spaltenrichtung gegenüber der Form einer geraden Transferspalte verschoben ist.
Bei dem in 4A gezeigten Layout hat jeder Abschnitt einen schmalen Bereich und einen breiten Bereich. Benachbarte Abschnitte S1 und S2 kontaktieren einander bei einer Grenzlinie 6a mit einer langen geraden schrägen Seite und kurzen horizontalen Seiten, die kontinuierlich zu der langen geraden schrägen Seite sind.
Diese schräge Seite ist parallel zum Rand des Transferkanalbereichs angeordnet und teilt den Transferkanalbereich in zwei schmale Bereiche, die in der Zeilenrichtung angeordnet sind. Jeder schmale Bereich hat eine konstante Breite. Dieser Bereich mit der konstanten Breite zeigt einheitliche Effekte eines schmalen Kanals. Es ist nicht nötig, dass die schräge Seite streng parallel zum Seitenrand des Transferkanalbereichs ist, sondern es ist ausreichend, wenn die schräge Seite im Wesentlichen parallel zum Seitenrand ist. Auf beiden Seiten der nebeneinander liegenden schmalen Bereiche sind breite Bereiche kontinuierlich zu den schmalen Bereichen ausgebildet.
Die breiten Bereiche der Abschnitte S2 und S3 kontaktieren einander bei einer horizontalen Grenzlinie 6b. Der breite Bereich wird durch die Effekte des schmalen Kanals weniger beeinflusst und hat ein niedriges Potential.
4B ist eine Querschnittansicht, die die Effekte des schmalen Kanals schematisch darstellt. Ein n-Typ-Bereich 18 ist in einem p^–-Typ-Bereich 17 ausgebildet. Ein eingebautes Potential zwischen dem p-Typ-Bereich 17 und dem n-Typ-Bereich 18 und eine angelegte Spannung von einer Verarmungsschicht nahe einem p-n-Übergang zwischen dem p^–-Typ-Bereich 17 und dem n-Typ-Bereich 18. Eine gestrichelte Linie 19 zeigt schematisch eine Äquipotentialebene in dem Zustand, dass eine solche Verarmungsschicht ausgebildet wird. Wenn die Breite des n-Typ-Bereichs 18 klein ist, erhöht die sich nach innen ausdehnende Verarmungsschicht das Potential am Boden eines zentralen Bereichs. Die Äquipotentialebene zieht sich nicht nur in der Breitenrichtung zusammen, sondern auch in der Tiefenrichtung. Das Potential wird daher im schmalen Halbleiterbereich durch die Effekte des schmalen Kanals erhöht.
Wenn die Breite des Ladungstransferpfads kleiner wird, wird es schwierig, dass er nicht den Effekten des schmalen Kanals unterzogen wird. Wenn sich die Breite des Ladungstransferpfads ändert, hat der Ladungstransferpfad eine Potentialverteilung, die es schwierig macht, elektrische Ladungen ruhig zu transferieren. Beispielsweise ist der Ladungstransferpfad derart ausgebildet, dass er die Bedingung erfüllt, dass der n-Typ-Bereich nur durch ein eingebautes Potential vollständig abgereichert wird.
Jeder Abschnitt des in 4A gezeigten Ladungstransferpfads 5 hat einen breiten Bereich und einen schmalen Bereich. Da die Breite des schmalen Bereichs konstant ist, sind die Effekte des schmalen Kanals im schmalen Bereich einheitlich. Der breite Bereich hat einen höheren Prozentsatz dafür, durch die Effekte des schmalen Kanals beeinflusst zu werden, als der schmale Bereich und hat ein niedrigeres Potential als der schmale Bereich. Daher werden elektrische Ladungen vorherrschender im breiten Bereich als im schmalen Bereich akkumuliert.
Wenn elektrische Ladungen vom Abschnitt S4 zum Abschnitt S1 zu transferieren sind, wird das Potential am Abschnitt S1 erniedrigt, um elektrische Ladungen, die vorherrschender im breiten Bereich des Abschnitts S4 akkumuliert sind, schnell zum breiten Bereich des Abschnitts S1 zu transferieren. Die Transferleistung von Ladungen vom Abschnitt S4 zum Abschnitt S1 kann daher verbessert werden.
Die Abschnitte S1 und S2 kontaktieren einander bei der langen Grenzlinie 6a. Wenn elektrische Ladungen vom Abschnitt S1 zum Abschnitt S2 zu transferieren sind, wird das Potential beim Abschnitt S2 erniedrigt, um elektrische Ladungen in einer Richtung zu transferieren, die die lange Grenzlinie 6a quert. Das bedeutet, dass elektrische Ladungen nicht entlang einer Längsrichtung des Ladungstransferpfads 5 transferiert werden, sondern entlang einer Richtung, die die lange Grenzlinie 6a quert. Da der Querschnittsbereich des Transferbereichs groß ist, kann die Transferleistung zum Transferieren elektrischer Ladungen über die Grenzlinie 6a verbessert werden.
Eine hohe Transferleistung kann daher erwartet werden, obwohl der Ladungstransferpfad mit der Struktur gestapelter Transferelektroden eine Zickzackform hat, wie es in 1 gezeigt ist. Die Transferleistung wurde gemessen, was eine gute Transferleistung bestätigt.
5 stellt dar, wie eine Treiberschaltung mit Transferelektroden verbunden ist. Es ist angenommen, dass die Treiberschaltung eine vierphasige Treiberschaltung ist. Eine Treiberquelle φ1 einer ersten Phase ist mit der Transferelektrode 12a der zweiten Schicht verbunden und eine Treiberquelle φ2 einer zweiten Phase ist mit der Transferelektrode 11a der ersten Schicht verbunden. Gleichermaßen sind Treiberquellen φ3 und φ4 der dritten und der vierten Phase jeweils mit den Transferelektroden 12a und 11b der zweiten Schicht und der ersten Schicht verbunden.
6 ist ein Zeitdiagramm von Signalen, das ein Verfahren zum Antreiben einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung unter Verwendung von vierphasigen Treibersignalen darstellt. Jedes Treibersignal nimmt einen hohen Transferpegel H, einen niedrigen Transferpegel L und einen Lesepegel R, der höher als H ist, an. Beispielsweise ist der Lesepegel R +15 V, bei welchem Pegel elektrische Ladungen aus dem Ladungsakkumulationsbereich über den p^–-Typ-Bereich 2 zu dem Ladungstransferpfad 5 gelesen werden können. Der hohe Transferpegel H nimmt beispielsweise ein Erdungspotential an und der niedrige Transferpegel nimmt beispielsweise –8 V an.
Der Betrieb eines Anlegens des Lesepegelsignals an die Transferelektroden 12 der zweiten Schicht wird beschrieben werden. Der Bereich, der unter der Transferelektrode 12 der zweiten Schicht im p^–-Typ-Bereich 2 angeordnet ist, wird ein Lesegatterbereich 2r (siehe die 1 und 2A).
Wie es in 6 gezeigt ist, sind die Treibersignale φ1 und φ2 der ersten und der zweiten Phase auf den hohen Pegel eingestellt und sind die Treibersignale φ3 und φ4 der dritten und der vierten Phase auf dem niedrigen Pegel beibehalten. In diesem Zustand wird das Treibersignal φ1 der ersten Phase auf den Lesepegel R erhöht. Auf ein Anlegen dieses Lesepegels R hin werden elektrische Ladungen aus Ladungsakkumulationsbereichen 3a und 3c, die in 5 gezeigt sind, zu dem benachbarten Ladungstransferpfad 5 gelesen. Darauf folgend wird das Treibersignal der ersten Phase wieder auf den hohen Transferpegel eingestellt.
Die gelesenen elektrischen Ladungen werden unter den Transferelektroden 12a der zweiten Schicht und den Transferelektroden 11a der ersten Schicht verteilt. Da die gesamte Breite des Transferkanalbereichs für eine Ladungsakkumulation verwendet wird, kann eine Lesetransferleistung verbessert werden. Das Treibersignal der ersten Phase kann direkt auf den Lesepegel eingestellt werden, ohne ihn einmal auf den hohen Transferpegel einzustellen.
In diesem Zustand werden beispielsweise in Ladungsakkumulationsbereichen 3b und 3d, die in 5 gezeigt sind, akkumulierte elektrische Ladungen noch nicht zum Ladungstransferpfad gelesen, sondern bleiben noch in den Ladungsakkumulationsbereichen 3b und 3d. In diesem Zustand sind daher elektrische Ladungen bis zu einer Hälfte von allen Ladungstransferpfaden 5 gelesen worden und noch nicht zu der übrigen Hälfte von allen Ladungstransferpfaden gelesen worden. Um elektrische Ladungen zu allen Transferpfaden zu lesen, ist es nötig, elektrische Ladungen von den fotoelektrischen Wandlerelementen 3b und 3d weiter zu lesen.
Als nächstes werden die Treibersignale φ1 und φ2 der ersten und der zweiten Phase auf den niedrigen Pegel eingestellt und werden die Treibersignale φ3 und φ4 der dritten und der vierten Phase auf den hohen Transferpegel eingestellt. Dann wird das Treibersignal φ3 der dritten Phase auf dem Lesepegel R erhöht. Auf ein Anlegen des Lesepegels hin werden in den Ladungsakkumulationsbereichen 3b und 3d, die in 5 gezeigt sind, akkumulierte elektrische Ladungen zu dem benachbarten Ladungstransferpfad 5 gelesen.
In diesem Zustand werden die Transferelektroden vierphasig angetrieben, um die gelesenen elektrischen Ladungen in der Spaltenrichtung zu transferieren.
Anstelle der in 5 gezeigten Treiberschaltung kann eine achtphasige Treiberschaltung mit den Transferelektroden verbunden sein. Durch ein Lesen von elektrischen Ladungen von einer Hälfte von allen Ladungsakkumulationsbereichen und durch ein Durchführen eines achtphasigen Antreibens kann die Transfergeschwindigkeit erhöht werden.
7 zeigt eine Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels. Bei dieser modifizierten Anordnung ist eine Grenzlinie 6b, entlang welcher benachbarte Ladungstransferpfade über den Kanalstoppbereich einander gegenüberliegen, relativ zur Zeilenrichtung geneigt. Diese geneigte Anordnung verlängert die Grenzlinie 6b. Der Querschnittsbereich, durch welchen elektrische Ladung von einem Abschnitt zum nächsten Abschnitt transferiert wird, ist daher groß gemacht. Die Transfereffizienz kann weiter verbessert werden.
8A ist eine Draufsicht einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fotoelektrische Wandlerelemente sind in einer Matrixform in der Pixelverschiebungsanordnung angeordnet, Ladungstransferpfade und Kanalstoppbereiche sind in der Spaltenrichtung angeordnet und Transferelektroden sind in der Zeilenrichtung angeordnet.
Eine Grenzlinie 6b, entlang welcher benachbarte Ladungstransferpfade über den Kanalstoppbereich einander gegenüberliegen, ist gleich der Grenzlinie des ersten Ausführungsbeispiels. Jedoch ist eine Grenzlinie 6a zwischen zwei Abschnitten des Ladungstransferpfads zwischen schräg benachbarten Ladungsakkumulationsbereichen gegensätzlich zum ersten Ausführungsbeispiel linear.
Gleiche Punkte wie beim ersten Ausführungsbeispiel sind, dass jeder Abschnitt einen schmalen Bereich und einen breiten Bereich hat und dass die Grenzlinie 6a relativ zur Zeilenrichtung geneigt ist und entlang dem Ladungstransferpfad angeordnet ist. Da jedoch die Grenzlinie 6a linear ist, ändert sich die Kanalbreite im schmaleren Bereich kontinuierlich. Daher ist selbst unter Effekten des schmalen Kanals eine Änderung bezüglich des Potentials monoton und kontinuierlich. Daher kann durch Anlegen einer geeigneten Spannung eine Möglichkeit dafür, dass veranlasst wird, dass elektrische Ladungen bleiben und im Ladungstransferpfad vorhanden sind, erniedrigt werden. Die Transferleistung kann weiter verbessert werden.
Wenn Spannungen niedrigen und hohen Pegels an benachbarte Abschnitte angelegt werden, erniedrigt sich das Potential des Abschnitts, an welchem die Spannung hohen Pegels angelegt ist, so dass elektrische Ladungen äußerst effizient transferiert werden, während die lange Grenzlinie 6a gequert wird. Elektrische Ladungen die die Grenzelinie 6b überqueren, sind gleich dem ersten Ausführungsbeispiel.
8B zeigt eine Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels. Die Formen der Transferelektroden 11 und 12 der ersten und der zweiten Schicht sind unterschiedlich gemacht, so dass die beiden Grenzlinien 6a und 6b relativ zur horizontalen Richtung geneigt sind. Da die Grenzlinie 6b geneigt ist und ihre Länge länger gemacht ist, kann die Ladungstransferleistung weiter verbessert werden.
Die 9A und 9B sind schematische Draufsichten, die die Struktur einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen. Bei diesem Ausführungsbeispiel haben Transferelektroden 11a und 11b der ersten Schicht einen Ausschnitt in dem Bereich benachbart zu einem Lesegatter 2r und sind die Formen der Transferelektroden 12a und 12b der zweiten Schicht entsprechend geändert. Da die Transferelektrode 12 der zweiten Schicht einen Teilbereich hat, dessen Form gleich einem entfalteten Fächer ist, kann die Lesetransferleistung weiter verbessert werden. Spezifischer wird die Breite eines Bereichs, entlang welchem elektrische Ladungen aus dem Ladungsak kumulationsbereich 3 zu dem benachbarten Ladungstransferpfad 5 über das Lesegatter 2r gelesen werden, breit, wenn sie entlang der Ladungsleserichtung angeschaut wird. Der effiziente Ladungstransfer kann daher erwartet werden.
9B zeigt eine Modifikation des dritten Ausführungsbeispiels.
Die Transferelektroden 11 und 12, die in 9A gezeigt sind, haben jeweils eine lateral unsymmetrische Form. Die Transferleistung zum Transferieren elektrischer Ladungen im Transferpfad durch Anlegen von Treibersignalen zu den Transferelektroden kann durch einen Unterschied der Transferelektrodenformen zwischen benachbarten Transferkanälen beeinflusst werden.
Die in 9B gezeigten Transferelektroden 11 und 12 haben jeweils eine lateral symmetrische Form. Daher kann die Transferleistung zum Transferieren elektrischer Ladungen im Ladungstransferpfad in jedem Fall einheitlich gemacht werden.
Obwohl eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit einer Pixelverschiebestruktur und sich schlängelnden Ladungstransferpfaden beschrieben worden ist, können die Strukturen des Ausführungsbeispiels auf Ladungstransferpfade angewendet werden, die sich linear erstrecken. Weiterhin können, obwohl eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung beschrieben worden ist, die Strukturen von Ausführungsbeispielen des Ladungstransferpfads auf verschiedene Typen von Ladungstransferpfaden angewendet werden.
Die 10A bis 10D sind Draufsichten, die Beispiele von Abschnitten eines linearen Ladungstransferpfads gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen.
10a zeigt einen linearen Ladungstransferpfad 5 mit einem sich wiederholenden Muster von vier Abschnitten S1, S2, S3 und S4. Jeder der Abschnitte S1 bis S4 hat einen breiten Bereich und einen schmalen Bereich gleich den Abschnitten S1 bis S4, die in 4A gezeigt sind. Mit dieser Anordnung können eine Ladungsakkumulationsfunktion des breiten Bereichs und ein effizienter Ladungstransfer über eine lange Grenzlinie 6a zur Verfügung gestellt werden, was gleich dem unter Bezugnahme auf 4A beschriebenen Ladungstransfer ist.
10B zeigt andere Abschnitte, bei welchen die horizontalen Grenzlinien 6a und 6b, die in 10A gezeigt sind, geneigt sind. Andere Strukturen sind gleich der 10A. Da die Grenzlinie 6b geneigt ist, wird ihre Länge länger und kann die Transferleistung weiter verbessert werden. Obwohl die Grenzlinie relativ zum Seitenrand des Ladungstransferpfads geneigt ist, geht ein Ladungstransfer entlang einer Richtung senkrecht zu den Grenzlinien weiter und wird die oben beschriebene verbesserte Transferleistung möglich.
10C zeigt einen Ladungstransferpfad, der durch gerade Grenzlinien 6 in selbe Abschnitte S aufgeteilt ist, die über den gesamten Transferpfad 5 schräg angeordnet sind. Da die Grenzlinie 6 relativ zur horizontalen Richtung geneigt ist, wird ihre Länge länger und kann die Transferleistung verbessert werden.
10D zeigt einen Ladungstransferpfad, der durch Grenzlinien eines nach oben gerichteten Zickzackmusters aufgeteilt ist. Da die Grenzlinie 6 relativ zur horizontalen Richtung geneigt ist, wird ihre Länge länger und kann die Transferleistung verbessert werden.
Wenn eine Grenzlinie relativ zur Horizontalen oder Zeilenrichtung geneigt ist, ist es erwünscht, den Neigungswinkel auf 5° oder größer einzustellen, um die geneigten Effekte unterscheidbar zu machen. Obwohl jeder Abschnitt des Ladungstransferpfads denselben Bereich hat, ist es nicht erforderlich, dass dieser Bereich derselbe ist. Es ist jedoch vorzuziehen, keinen großen Unterschied zwischen jeweiligen Abschnitten zu machen, um einen effizienten Ladungstransfer zu realisieren. Beispielsweise ist es vorzuziehen, dass ein Bereichsverhältnis zwischen irgendwelchen zwei Abschnitten im selben Transferpfad im Bereich von 1:1 bis 1:5 (oder 5:1) ist.
Obwohl ein Ladungstransferpfad mit zweischichtigen Transferelektroden beschrieben worden ist, kann ein Ladungstransferpfad mit dreischichtigen oder mehrschichtigen Transferelektroden verwendet werden. Das Antriebsverfahren ist nicht nur auf ein vierphasiges Antreiben beschränkt.

Claims

Ladungstransferpfad, der folgendes aufweist: ein Halbleitersubstrat (1) mit einem Oberflächenbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps; einen Kanalbereich (5), der im Oberflächenbereich ausgebildet ist und sich im Wesentlichen entlang einer Richtung (einer Ausdehnungsrichtung) auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats erstreckt, wobei der Kanalbereich einen zweiten Leitfähigkeitstyp hat, der entgegengesetzt zum ersten Leitfähigkeitstyp ist, und eine Flächenform hat, die durch ein Paar von Seitenrändern definiert ist; und eine Vielzahl von Transferelektroden (11, 12), die den Kanalbereich queren, wobei die Transferelektroden eine derartige Überlagerungsstruktur haben, dass Endteile benachbarter Transferelektroden einander überlagern, um eine Vielzahl von Grenzlinien (6) des Kanalbereichs zu definieren, und eine Vielzahl von Ladungstransferabschnitten (S1, S2; S3, S4) definieren, die durch die Grenzlinien (6) im Kanalbereich aufgeteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalbereich (5) einen Bereich enthält, wo eine Vielzahl von Ladungstransferabschnitten (S1, S2; S3, S4) entlang einer Richtung senkrecht zur Ausdehnungsrichtung nebeneinander liegend sind.
Ladungstransferpfad nach Anspruch 1, wobei Formen des Kanalbereichs (5) und der Transferelektroden (11, 12) so ausgewählt sind, dass wenigstens einige der Grenzlinien (6) einen Winkel von 5° oder darüber relativ zur senkrechten Richtung haben.
Ladungstransferpfad nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens einige der Grenzlinien (6) ein Liniensegment haben, das allgemein parallel zu den Seitenrändern ist.
Ladungstransferpfad nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei wenigstens einige der Ladungstransferabschnitte (3) einen Bereich haben, dessen Breite sich entlang der senkrechten Richtung monoton ändert.
Ladungstransferpfad nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich der Kanalbereich in einer Zickzackform erstreckt und sich entlang der Ausdehnungsrichtung schlängelt und wenigstens einige der Grenzlinien (6) ein Liniensegment haben, das um einen Winkel von 5° oder darüber relativ zur senkrechten Richtung in einer Richtung des Kanalbereichs relativ zur Ausdehnungsrichtung geneigt ist.
Ladungstransferpfad nach Anspruch 5, wobei benachbarte Ladungstransferabschnitte (3) einander entlang einer geraden Grenzlinie (6) in dem Bereich des Kanalbereichs kontaktieren, der relativ zur Ausdehnungsrichtung geneigt ist.
Ladungstransferpfad nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einige der Ladungstransferabschnitte jeweils einen breiten Bereich und einen schmalen Bereich haben.
Ladungstransferpfad nach Anspruch 7, wobei der breite Bereich an einem Ende der Ladungstransferabschnitte positioniert ist.
Ladungstransferpfad nach Anspruch 8, wobei benachbarte Ladungstransferabschnitte beide den breiten Bereich in einem nahen Gebiet haben, wo die benachbarten Ladungstransferabschnitte einander kontaktieren.
Ladungstransferpfad nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei sich der schmale Bereich bezüglich einer Breite entlang der senkrechten Richtung mehr reduziert, wenn er vom breiten Bereich entfernter wird.
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, die folgendes aufweist: einen Ladungstransferpfad nach einem der vorangehenden Ansprüche, und eine Anzahl fotoelektrischer Wandlerelemente, die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats entlang einer Vielzahl von Zeilen und Spalten in kon stanten Teilungen angeordnet sind, wobei die fotoelektrischen Wandlerelemente in einer geraden Spalte um etwa eine Hälfte einer Teilung von fotoelektrischen Wandlerelementen in der geraden Spalte von den fotoelektrischen Wandlerelementen in einer ungeraden Spalte verschoben sind, wobei die fotoelektrischen Wandlerelemente in einer geraden Zeile um etwa eine Hälfte einer Teilung von fotoelektrischen Wandlerelementen in der geraden Zeile von den fotoelektrischen Wandlerelementen in einer ungeraden Zeile verschoben sind, und wobei jede Spalte von fotoelektrischen Wandlerelementen nur die fotoelektrischen Wandlerelemente in entweder der ungeraden Spalte oder der geraden Spalte enthält.
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 11, wobei ein Bereichsverhältnis zwischen irgendwelchen zwei Ladungstransferabschnitten in einem Bereich von 1:1 bis 1:5 ist.
Verfahren zum Antreiben einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Akkumulieren elektrischer Ladungen in den fotoelektrischen Wandlerelementen; (b) Anlegen einer Lesepegelspannung an einen ersten Ladungstransferabschnitt nahe den fotoelektrischen Wandlerelementen und Anlegen einer hohen Transferpegelspannung an einen zweiten Ladungstransferabschnitt benachbart zum ersten Ladungstransferabschnitt in der Zeilenrichtung; und (c) Ändern der an dem ersten Ladungstransferabschnitt angelegten Spannung zu der hohen Transferpegelspannung.
Verfahren zum Antreiben einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Schritte (b) und (c) relativ zu den fotoelektrischen Wandlerelementen in den ungeraden und geraden Zeilen wiederholt ausgeführt werden.