DE69209374T2 - Festkörper-Bildsensor - Google Patents
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildsensor, spezieller einen Festkörper-Bildsensor mit einem potentialungebundenen, diffundierten Ladungsmeßverstärker in einer Ausgangsschaltung.
- Fig. 1 zeigt schematisch einen herkömmlichen CCD-Bildaufnehmer mit 7wischenzeilen-Übertragungsmodus Ein derartiges Bauelement ist z.B. in JP-A-60-223161 offenbart. Dieser Bildaufnehmer enthält ein zweidimensionales (flächenhaftes) Array von Photosensoren 1 und Vertikalregistern 3. Jeder der Photosensoren 1 bildet ein Pixelelement und sammelt eine Signalladung entsprechend dem Fluß des einfallenden Lichts. Jedes der Vertikalschieberegister 3 ist für eine einzige vertikale Spalte des Arrays vorhanden. Die angesammelte Ladung wird während eines Teils des vertikalen Austastintervalls momentan über ein Auslesetor (oder Übertragungstor) 2 in das zugehörige Vertikalschieberegister 3 übertragen, und die Signalladung wird im Vertikalschieberegister 3 nach unten verschoben. Das Photosensorarray und die Vertikaischieberegister 3 bilden einen photoempfindlichen Bilderzeugungsabschnitt (oder eine Fläche) 4. Bei diesem Beispiel sind die Photosensoren 1 Photodioden und die Vertikalschieberegister 3 sind CCD(ladungsgekoppeltes Bauelement)-Schieberegister.
- Dann werden die Signalladungen von den Vertikalschieberegistern 3 während eines Teils des Horizontalaustastintervalls der Reihe nach in ein Horizontalschieberegister 5 übertragen. Das Horizontalregister 5 empfängt zu einem jeweiligen Zeitpunkt eine Reihe von Signalladungen entsprechend einer Abtastzeile. Aus dem Horizontalschieberegister 5 werden die Signalladungen im Horizontaldurchrasterintervall eines Fernsehsignals nacheinander an einen potentialungebundenen Diffusionsbereich (FD) 6 übertragen. Der potentialungebundene Diffusionsbereich 6 ist mit einem Verstärker 7 zum Erfassen von Signalladungen verbunden. Der Verstärker 7 dieses Beispiels ist ein zweistufiger Sourcefolgerverstärker. Dieser Sourcefolgerverstärker 7 erzeugt ein elektrisches Signal (wie ein Spannungssignal), das der Signalladung entspricht. Der Sourcefolgerverstärker 7 verfügt über mindestens einen treiberseitigen MOS-Transistor 8 und mindestens einen lastseitigen MOS-Transistor 9.
- Fig. 2 zeigt den Querschnittsaufbau des herkömmlichen Sourcefolgerverstärkers 7. Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, sind der treiberseitige MOS-Transistor 8 und der lastseitige MOS-Transistor 9 über einer p-Wanne (p-Bereich) 12 in und auf einem Substrat des CCD-Bildsensors ausgebildet. Das Substrat dieses Beispiels ist ein n-Substrat 11. Die p-Wanne 12 arbeitet so, daß sie elektrische Isolierung aktiver Bereiche mit den Bereichen der MOS-Transistoren 8 und 9 gegen die Rückseite des Substrats 11 erzielt.
- Beim herkömmlichen Sourcefolgerverstärker 7 sind jedoch der treiberseitige MOS-Transistor 8 und der lastseitige MOS- Transistor 9 beide in der einzigen Wanne 12 mit gleichmäßigern Aufbau ausgebildet. Daher sind die I-V-Charakteristiken beider Transistoren 8 und 9 im wesentlichen dieselben und es ist nicht möglich, die Charakteristiken beider Transistoren gleichzeitig zu optimieren. Der herkömmliche Sourcefolgerverstärker 7 wird daher zu Lasten der I-V-Charakteristik des lastseitigen MOS-Transistors 9 hergestellt, so daß ein Kurz kanaleffekt (größere Drainleitfähigkeit) verbleibt. Im Ergebnis ist die verstärkung des Verstärkers stark beschränkt, wie es später erläutert wird.
- Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen hochempfindlichen Festkörper-Bildsensor mit einem Ausgangsverstärker zu schaffen, in dem die I-V-Charakteristiken von MOS-Transistoren sowohl auf der Treiber- als auch der Lastseite gleichzeitig optimiert sind und die Kleinsignal-Wechselspannungsverstärkung des Verstärkers verbessert ist.
- Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verfügt ein Festkörper-Bildsensor im Ausgangsabschnitt über einen potentialungebundenen, diffundierten Ladungsmeßverstärker. Der Verstärker umfaßt mindestens einen treiberseitigen MOS-Transistor und mindestens einen lastseitigen MOS-Transistor, die in und auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind. Das Substrat umfaßt eine Substratschicht von erstem Leitungstyp sowie eine erste und eine zweite Wanne von zweitem Leitungstyp. Z.B. sind die erste und die zweite Wanne p-Bereiche, die in einem n-Substrat ausgebildet sind, und der restliche Volumenbereich vom n-Typ ist die Substratschicht. Sowohl die erste als auch die zweite Wanne erstreckt sich ausgehend von der Oberseite des Substrats in dieses hinein. Der treiberseitige MOS-Transistor umfaßt einen Drain- und einen Sourcebereich vom ersten Leitungstyp, die in der ersten Wanne ausgebildet sind, und eine erste, isolierte Gateelektrode, die auf der Oberseite der ersten Wanne über einer Gateisolierschicht ausgebildet ist. Der lastseitige MOS-Transistor umfaßt einen Drain- und einen Sourcebereich vom ersten Leitungstyp, die in der zweiten Wanne ausgebildet sind, und eine zweite isolierte Gateelektrode, die auf der Oberseite der zweiten Wanne über einer Gateisolierschicht ausgebildet ist. Die erste Wanne für den treiberseitigen MOS-Transistor ist von der Oberseite des Substrats her tiefer als die zweite Wanne, und die zweite Wanne für den lastseitigen MOS-Transistor ist flacher. Die flachere zweite Wanne kann neutrales Potential aufweisen.
- In der zweiten Wanne des lastseitigen MOS-Transistors ist ein neutraler Bereich mit relativ flacher Tiefe ausgehend von der Oberseite des Substrats ausgebildet. Diese Struktur macht daher den lastseitigen MOS-Transistor weniger für eine Kanalmodulation ausgehend von seinem Drain/Source-Bereich anfällig und schwächt den Kurzkanaleffekt. Im Ergebnis ist die Drainleitfähigkeit des lastseitigen MOS-Transistors verringert.
- Die tiefe erste Wanne des treiberseitigen MOS-Transistors ist potentialmäßig verarmt, und ein Rückseitengate des MOS- Transistors ist durch das Ende einer Verarmungsschicht gebildet, die sich in einen tiefen Bereich des Substrats erstreckt. Daher kann diese Struktur den Einfluß der Rückseitengate-Spannung auf den Kanalbereich des MOS-Transistors verringern und dadurch den Vorwärtsleitwert des Rückseitengates des treiberseitigen MOS-Transistors verringern.
- Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die einen CCD-Festkörper-Bildsensor vom Zwischenzeilenübertragungstyp zeigt.
- Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau eines herkömmlichen Sourcefolgerverstärkers zeigt.
- Fig. 3A und 3B sind Kurvendiagramme, die die I-V-Charakteristik des lastseitigen MOS-Transistors beim herkömmlichen Beispiel und eine Idealcharakteristik zeigen.
- Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau eines Signalladungen erfassenden Sourcefolgerverstärkers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
- Fig. 5 ist eine schematische Ansicht, die einen Schaltungsaufbau zum Messen der I-V-Charakteristik von MOS-Transistoren zeigt.
- Fig. 6B, 7B und 8B sind Kurvendiagramme, die die I-V-Charakteristiken von MOS-Transistoren im in Fig. 1 dargestellten Sourcefolgerverstärker zeigen. Fig. 6A, 7A und 8A sind Kurvendiagramme, die die I-V-Charakteristiken von MOS-Transistoren im herkömmlichen Sourcefolgerverstärker zeigen. Fig. 6A und 6B zeigen die Id-Vd-Charakteristik der treiberseitigen MOS-Transistoren beim herkömmlichen Aufbau bzw. beim in Fig. 1 dargestellten Aufbau. Fig. 7A und 7B zeigen die Id- Vg-Charakteristik der treiberseitigen MOS-Transistoren beim herkömmlichen Beispiel bzw. beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 8A und 8B zeigen die Id-Vd-Charakteristik der lastseitigen MOS-Transistoren beim herkömmlichen Beispiel bzw. beim ersten Ausführungsbeispiel.
- Fig. 9 ist eine Schnittansicht, die einen Sourcefolgerverstärker gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
- Fig. 4 zeigt einen Sourcefolgerverstärker eines CCD-Bildsensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- Der Sourcefolgerverstärker umfaßt mindestens einen treiberseitigen MOS-Transistor 8 und einen lastseitigen MOS-Transistor 9, die beide in und auf einem Substrat 11 des CCD- Festkörper-Bildsensors ausgegbildet sind. Bei diesem Beispiel ist das Substrat 11 ein n-Substrat.
- Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, sind eine erste und eine zweite Wanne (oder Wannenbereiche) 19 und 20 ausgebildet, die sich beide von der Oberseite des Substrats 11 in dieses Substrat 11 hinein erstrecken. Bei diesem Beispiel sind die erste und die zweite Wanne 19 und 20 vom p-Typ. Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, erstreckt sich die n-Schicht des Substrats 11 von der Unterseite dieses Substrats 11 bis zu den Unterseiten der ersten und zweiten p-Wanne 19 und 20. Die erste p-Wanne 19 ist von der Oberseite des Substrats her tiefer als die zweite p-Wanne 20, und die zweite p-Wanne 20 ist flacher. Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, ist mindestens ein p&spplus;-Wannenkontaktbereich in der ersten und zweiten p-Wanne 19 und 20 ausgebildet und mit Masse verbunden.
- Ein erstes Paar-Drain- und Sourcebereiche 13 und 14 vom N&spplus;- Typ ist in der tiefen p-Wanne 19 ausgebildet und bildet den treiberseitigen MOS-Transistor 98, zusammen mit einer Gateelektrode 15, die über einem Kanalbereich zwischen dem Drain- und Sourcebereich 13 und 14 ausgebildet ist. Auf ähnliche Weise ist der lastseitige MOS-Transistor 9 in einem an den treiberseitigen MOS-Transistor 8 angrenzenden Bereich ausgebildet. Der lastseitige MOS-Transistor 9 enthält ein zweites Paar aus einem Drain- und Sourcebereich 16 und 17 vom N&spplus;-Typ, das in der flachen p-Wanne 20 ausgebildet ist, und eine Gateelektrode 18, die über einem Kanalbereich zwischen dem Drain- und dem Sourcebereich 16 und 17 ausgebildet ist. Bei diesem Ausführungssbeispiel ist die erste p-Wanne 19 potentialmäßig verarmt, während andererseits die zweite p-Wanne 20 neutrales Potential (Massepotential) aufweist.
- Der Sourcefolgerverstärker dieses Ausführungsbeispiels kann die Wechselspannungsverstärkung bei Kleinsignalbetrieb verbessern.
- Im allgemeinen ist die Kleinsignal-Wechselspannungsverstärkung G des in Fig. 1 dargestellten Sourcefolgerverstärkers 7 wie folgt gegeben:
- G = gm/(gm + gs + gb + gsl) (1)
- In dieser Gleichung sind gm, gs und gb der Vorwärtsleitwert, der Drainleitwert bzw. der Rückseitengate-Vorwärtsleitwert des treiberseitigen MOS-Transistors 8, und gsl ist der Drainleitwert des lastseitigen MOS-Transistors 9.
- Fig. 3A zeigt die I-V-Charakteristik des lastseitigen MOS- Transistors 9 beim herkömmlichen Sourcefolgerverstärker 7. Wie es in Fig. 3A dargestellt ist, macht die herkömmliche Struktur den Drainleitwert gsl im Vergleich mit der in Fig. 3B dargestellten idealen Charakteristik hoch, weswegen die Verstärkung des herkömmlichen Verstärkers niedrig ist. Was den treiberseitigen MOS-Transistor 8 betrifft, ist die p- Wanne 12 nicht tief genug. Daher ist der Rückseitengate-Vorwärtsleitwert gb hoch und verringert die Verstärkung weiter.
- Die Fig. 6B, 7B und 8B zeigen jeweils I-V-Charakteristiken des Sourcefolgerverstärkers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, zusammen mit den Kurvendiagrammen der Fig. 6A, 7A und 8A, die Charakteristiken des herkömmlichen Sourcefolgerverstärkers zeigen. Diese Charakteristiken wurden unter Verwendung der in Fig. 5 dargestellten Schaltung gemessen.
- Die Id-Vd-Charakteristiken des treiberseitigen MOS-Transistors des Ausführungsbeispiels, wie in Fig. 6B dargestellt, sind ähnlich den in Fig. 6A dargestellten herkömmlichen Charakteristiken. Beim herkömmlichen Bauelement haben jedoch sowohl der Rückseitengate-Vorwärtsleitwert gb des treiberseitigen MOS-Transistors 8 wie auch der Drainleitwert gsl des lastseitigen MOS-Transistors 9 große Werte, die zu einer beträchtlichen Verringerung der Wechselspannungsverstärkung des Sourcefolgers beitragen.
- Im Sourcefolgerverstärker des Ausführungsbeispiels ist demgegenüber die p-Wanne 20 für den lastseitigen MOS-Transistor 9 von der Oberseite des Substrats her flacher und potentialmäßig im neutralen Zustand, und die p-Wanne 19 für den treiberseitigen MOS-Transistor 8 ist tiefer und wird im Verarmungszustand gehalten. Daher ist es möglich, die in den Fig. 7B und 8B erhaltenen Charakteristiken zu erzielen. Fig. 7B zeigt die Id-Vg-Charakteristik des treiberseitigen MOS-Transistors 8. Fig. 8B zeigt die Id-Vd-Charakteristik des lastseitigen MOS-Transistors 9. Im Sourcefolgerverstärker dieses Ausführungsbeispiels ist der Rückseitengate-Vorwärtsleitwert gb des treiberseitigen MOS-Transistors 8 klein, wie in Fig. 7B dargestellt, und der Drainleitwert gsl des lastseitigen MOS-Transistors 9 ist ebenfalls klein, wie in Fig. 8B dargestellt. D.h., daß der Aufbau des Sourcefolgers dieses Ausführungsbeispiels die Wechselspannungsverstärkung G dadurch verbessern kann, daß sowohl der Rückseitengate-Vorwärtsleitwert gb des treiberseitigen MOS-Transistors 8 als auch der Drainleitwert gsl des lastseitigen MOS-Transistors 9 verringert sind.
- Beim in Fig. 2 dargestellten herkömmlichen Beispiel ist das Rückseitengate durch den neutralen Bereich der relativ flachen p-Wanne 12 gebildet. Im Sourcefolgerverstärker 7 dieses Ausführungsbeispiels ist dagegen das Rückseitengate des Treiber-MOS-Transistors 8 durch ein Ende 21 der Verarmungsschicht gebildet, die sich tief in das Substrat hinein erstreckt, so daß der Kanalbereich des MOS-Transistors 8 nur keinen oder wenig Einfluß erfährt. Dies ist der Grund, weswegen der Aufbau des Ausführungsbeispiels den Rückseitengate-Vorwärtsleitwert gb des treiberseitigen MOS-Transistors 8 verringern kann.
- In der p-Wanne 20 für den lastseitigen MOS-Transistor 9 des Ausführungsbeispiels sind neutrale Bereiche sehr flach im Vergleich mit dem neutralen Bereich der in Fig. 2 dargestellten p-Wanne 12 ausgebildet. Daher unterliegt der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels weniger einer Kanalmodulation vom Drainbereich 16/vom Sourcebereich 17. Im Ergebnis ermöglicht es der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels, den Kurzkanaleffekt zu verringern und den Drainleitwert gsl des lastseitigen MOS-Transistors 9 zu erhöhen.
- Fig. 9 zeigt einen Sourcefolgerverstärker gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Aufbau von Fig. 9 stimmt beinahe mit dem in Fig. 4 dargestellten Aufbau überein. Insbesondere enthält der Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels ebenfalls die tiefe erste p-Wanne 19 für den treiberseitigen MOS-Transistor 8 und die flache zweite p- Wanne 20 für den lastseitigen MOS-Transistor. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist jedoch auch in der tiefen ersten p- Wanne 19 ein neutraler Bereich ausgebildet.
- In der tiefen p-Wanne 19 ist der neutrale Bereich tief, ausgehend von der Oberseite des Substrats, ausgebildet, wie in Fig. 9 dargestellt. Daher kann der Sourcefolgerverstärker des zweiten Ausführungsbeispiels den Rückseitengate-Vorwärtsleitwert gb auf einen ausreichend kleinen Wert verringern und demgemäß die durch die Gleichung (1) gegebene Wechselspannungsverstärkung wie beim in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel verbessern.
- Beim Aufbau gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist in beiden p-Wannen 19 und 20 für die Treiberseite und die Lastseite ein neutraler Bereich ausgebildet. Daher wird der Betrieb des Sourcefolgers nicht leicht durch Schwankungen beim Halbleiterprozeß beeinflußt. Ferner verhindert dieser Aufbau, daß der Betriebspunkt des Sourcefolgerverstärkers 7 durch eine Spannungsanderung im Substrat verschoben wird, wenn eine elektronische Blende dahingehend wirkt, daß sie Ladungen in das Substrat einschwemmt. Daher übt der Sourcefolgerverstärker keinen nachteiligen Einfluß auf die Signalverarbeitungsschaltung aus.
- Gemäß der Erfindung ist, wie es vorstehend erläutert ist, die erste p-Wanne des treiberseitigen MOS-Transistors tiefer, und die zweite p-Wanne für den lastseitigen MOS-Transistor ist flacher und potentialmäßig neutral. Daher kann der erfindungsgemäße Sourcefolgerverstärker den Einfluß des neutralen Bereichs des Subtrats auf den Kanalbereich des treiberseitigen MOS-Transistors wesentlich verringern und dadurch den Rückseitengate-Vorwärtsleitwert gb des Treiber- MOS-Transistors verringern. Andererseits kann der erfindungsgemäße Sourcefolgerverstärker den Drainleitwert gsl des lastseitigen MOS-Transistors dadurch verringern, daß Kanalmodulation unterdrückt ist und der Kurzkanaleffekt verringert ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Empfindlichkeit des Bauelements durch Einstellen der I-V-Charakteristiken des treiberseitigen und des lastseitigen MOS-Transistors auf ihre jweils besten Formen zu verbessern und die Kleinsignal-Wechselspannungsverstärkung des Sourcefolgers zu maximieren.
Claims (10)
1. Festkörper-Bildaufnehmer mit:
- einer Substratschicht (11) von erstem Leitungstyp in einem
Halbleitersubstrat;
- einer ersten und einer zweiten Wanne (19, 20) von zweitem
Leitungstyp, die in der Substratschicht (11) ausgebildet
sind und sich beide von der Oberfläche des Substrats in
dieses hineinerstrecken;
- einem Paar aus einem ersten Drainbereich (13) und einem
ersten Sourcebereich (14) vom ersten Leitungstyp, das im
ersten Wannenbereich (19) ausgebildet ist;
- einem Paar aus einem zweiten Drainbereich (16) und einem
zweiten Sourcebereich (17) vom ersten Leitungstyp, die im
zweiten Wannenbereich (20) ausgebildet sind;
- einer ersten, isolierten Gateelektrode (15), die auf der
Oberseite des Substrats ausgebildet ist und zusammen mit dem
ersten Drainbereich und Sourcebereich (13, 14) einen
treiberseitigen MOS-Transistor (8) bildet; und
- einer zweiten, isolierten Gateelektrode (18), die auf der
Oberseite des Substrats ausgebildet ist und mit dem zweiten
Drainbereich und Sourcebereich (16, 17) einen lastseitigen
MOS-Transistor (9) bildet, wobei der treiberseitige MOS-
Transistor (8) und der lastseitige MOS-Transistor (9) so
verbunden sind, daß ein Sourcefolgerverstärker (7) gebildet
ist, der Teil eines potentialungebundenen, diffundierten
Ausgangsverstärkers des Festkörper-Bildaufnehmers ist;
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wanne (19) von der
Oberseite des Substrats her tiefer als die zweite Wanne (20)
ist.
2. Festkörper-Bildaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem die
erste Wanne (19) potentialmäßig verarmt ist.
3. Festkörper-Bildaufnehmer nach Anspruch 2, bei dem die
zweite Wanne (20) potentialmäßig neutral ist.
4. Festkörper-Bildaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem der
Übergang zwischen der ersten Wanne und der Substratschicht
nahe einem Ende einer Verarmungsschicht der Substratschicht
liegt.
5. Festkörper-Bildaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem die
erste und die zweite Wanne (19, 20) beide potentialmäßig
neutral sind.
6. Festkörper-Bildaufnehmer nach Anspruch 1, ferner mit
einem stark dotierten Kontaktbereich (p&spplus;) vom zweiten
Leitungstyp zum potentialmäßigen Neutralisieren der zweiten
Wanne (20), wobei dieser stark dotierte Kontaktbereich in
der zweiten Wanne ausgebildet und mit Masse verbunden ist.
7. Festkörper-Bildaufnehmer nach Anspruch 6, ferner mit
einem stark dotierten Kontaktbereich (p&spplus;) vom zweiten
Leitungstyp, der in der ersten Wanne (19) ausgebildet und mit
Masse verbunden ist.
8. Festkörper-Bildaufnahmer nach Anspruch 7, bei dem der
Ausgangsverstärker einen potentialungebundenen
Diffusionsbereich (6) aufweist und der Sourcefolgerverstärker (7) durch
den treiberseitigen MOS-Transistor (8) und den lastseitigen
MOS-Transistor (9) gebildet ist.
9. Festkörper-Bildaufnehmer nach Anspruch 8, bei dem der
Sourcefolgerverstärker (7) einen Eingangsanschluß (EIN) zum
Empfangen eines Eingangssignals vom potentialungebundenen
Diffusionsbereich (6) und einen Ausgangsanschluß (AUS) zum
Ausgeben eines Ausgangssignals aufweist, wobei der erste
Sourcebereich (14) des treiberseitigen MOS-Transistors (8)
und der zweite Drainbereich (16) des lastseitigen
MOS-Transistors (9) mit dem Ausgangsanschluß verbunden sind und die
erste Gateelektrode (15) des treiberseitigen MOS-Transistors
mit dem Eingangsanschluß verbunden ist.
10. Festkörper-Bildaufnehmer nach Anspruch 9, ferner mit
einem Zwischenzeilen-CCD-Bildaufnahmeabschnitt, der ein mit
dem potentialungebundenen Diffusionsbereich (6) verbundenes
Horizontalschieberegister (5), mehrere
Vertikalschieberegister (3), die jeweils mit dem Horizontalschieberegister (5)
verbunden sind, und ein Array photoempfindlicher Elemente
(1) aufweist, von denen jedes mit einem der
Vertikaischieberegister (3) verbunden ist.
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