DE69320410T2

DE69320410T2 - Festkörper-Bildaufnehmer und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69320410T2
Application number: DE69320410T
Authority: DE
Inventors: Takashi Soraku-Gun Kyoto Watanabe
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1992-06-03
Filing date: 1993-06-03
Publication date: 1999-03-18
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: EP0573292B1; EP0573292A1; KR0130959B1; DE69320410D1; KR940006395A; US5404039A

Description

1. Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Festkörper- Abbildungsvorrichtung mit einer vertikalen Überlaufdrainstruktur zum Verhindern eines Übersteuerns.

2. Beschreibung des Standes der Technik:

Es gibt eine obere Grenze für eine Ladungsmenge, die jedes Pixel in einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung unabhängig von ihrem Typ, wie beispielsweise CCD und MOS, verarbeiten kann. Wenn jedes Pixel übermäßiges Licht empfängt, läuft Ladung bei jedem Pixel in die umgebenden Pixels über, was zu einem Übersteuern bzw. Überstrahlen führt. Um ein Übersteuern zu verhindern, wurde vorgeschlagen, eine Überlaufdrainstruktur bei einem Photodetektorteil der Festkörper-Abbildungsvorrichtung vorzusehen, um Ladung zu absorbieren, die einen Schwellenwert überschreitet. In den letzten Jahren wurde eine vertikale Überlaufdrainstruktur, die die Abnahme in dem Verhältnis der Öffnung der Pixels vermeiden kann, verbreitet verwendet.
Fig. 7 zeigt eine vertikale Überlaufdrainstruktur, die in einer CCD-Abbildungsvorrichtung eines Zwischenlinientransfertyps verwendet wird. In dieser Figur ist die Struktur für ein Pixel schematisch gezeigt; und eine Vertikalrichtung stellt eine Tiefe einer Vorrichtung dar, und eine Horizontalrichtung gibt eine Richtung senkrecht zu einer Transferrichtung eines Vertikaltransferteiles an. Diese CCD-Abbildungsvorrichtung ist von einem leitenden Typ, der Elektronen als eine Signalladung verwendet.
In Fig. 7 ist eine p-Wannenschicht 2 auf einem n-Typ-Halbleitersubstrat 1 gebildet. In einem Teil des oberen Teiles der p-Wannenschicht 2 ist ein Photodetektorteil 3 aus einem n-Typ-Halbleiter gebildet, um Licht für ein Pixel zu empfangen. Zusätzlich ist die Oberseite des Photodetektorteiles 3 mit einer p-Typ-Halbleiterschicht 4 einer hohen Konzentration bedeckt. Auf einer Seite des Photodetektorteiles 3 ist ein Kanalstoppbereich 5 gebildet. Auf der anderen Seite hiervon ist ein vergrabener Kanaltyp-Transferteil 7 aus einem n-Typ- Halbleiter mit einem Transferbereich 6 (Teil der p-Wannenschicht 2), gelegen zwischen dem Transferteil 7 und dem Photodetektorteil 3, ausgeführt. Der Kanalstoppbereich 5 wirkt als eine Unterteilung zwischen den jeweiligen Pixels. Der Transferbereich 6 reguliert die Leitung zwischen dem Photodetektorteil 3 und dem Transferteil 7 mittels einer elektrischen Potentialbarriere. Das elektrische Potential des Transferteiles 7 ist durch eine Elektrode 8 reguliert, die über dem Transferteil 7 gebildet ist, wobei eine (nicht gezeigte) Isolierschicht zwischen dem Transferteil 7 und der Elektrode 8 ausgeführt ist.
Das Halbleitersubstrat 1 ist mit einer ausreichend hohen positiven Spannung beaufschlagt, die eine Rückwärtsvorspannung bezüglich eines elektrischen Kanalstoppotentials (elektrisches Erdpotential, d. h. 0 V) ist. Wenn übermäßiges Licht auf den Photodetektorteil 3 einfällt und eine große Menge an Elektronen darin gesammelt wird, überströmen Elektronen von dem Photodetektorteil 3 in das rückwärts vorgespannte Halbleitersubstrat 1 jenseits einer elektrischen Potentialbarriere, die durch die p-Wannenschicht 2 gebildet ist. Somit kann ein Übersteuern verhindert werden.
Fig. 8 zeigt eine Verteilung einer Fremdstoffkonzentration auf einem B-B-Schnitt der CCD-Abbildungsvorrichtung von Fig. 7. Zur Vereinfachung ist die Fremdstoffkonzentration angenähert in einer Stufenform dargestellt. Das Halbleitersubstrat 1 hat eine Fremdstoffkonzentration von N&sub1;, die p- Wannenschicht 2 hat eine Dicke von d&sub2; und eine Fremdstoffkonzentration von N&sub2;; der Photodetektorteil 3 hat eine Dicke von d&sub3; und eine Fremdstoffkonzentration von N&sub3;; und die Halbleiterschicht 4 hat eine Dicke von d&sub4; und eine Fremdstoffkonzentration von N&sub4;.
Es sei angenommen, daß das maximale Potential des Photodetektorteiles 3 durch VA gegeben ist, daß eine Höhe einer Potentialbarriere von dem Photodetektorteil 3 zu dem Halbleitersubstrat 1 durch VB gegeben ist, daß eine Höhe einer Potentialbarriere von dem Halbleitersubstrat 1 zu dem Photodetektorteil 3 durch VC gegeben ist, daß ein Abstand von der Grenze zwischen der Halbleiterschicht 4 und dem Photodetektorteil 3 bis zu der Tiefe des Photodetektorteiles 3, wo das maximale Potential hiervon erhalten wird, und ein Abstand von der Grenze zwischen der p-Wannenschicht 2 und dem Photodetektorteil 3 bis zu der Tiefe des Photodetektorteiles 3, wo das maximale Potential hiervon erhalten wird, durch a bzw. b gegeben sind, womit die folgende Gleichung (1) erhalten werden kann.
Mit q: Primärladung,
KS: relative Dielektrizitätskonstante eines Halbleiters,
&epsi;O: Dielektrizitätskonstante des Vakuums.
Eine Substratspannung Vsub, die an das Halbleitersubstrat 1 zu legen ist, wird durch die folgende Gleichung (2) dargestellt:
Vsub = VA - VB + VC ... (2)
Die CCD-Abbildungsvorrichtung wird anhand der Fig. 9 beschrieben, in welcher die jeweiligen Fremdstoffkonzentrationen N&sub1; = 2 · 10¹&sup4; cm&supmin;³, N&sub2; = 1 · 10¹&sup5; cm&supmin;³, N&sub3; = 2 · 1 10¹&sup6; cm&supmin;³ und N9 = 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ sind, die jeweiligen Schichtdicken d&sub3; = 0,672 um und d&sub2; = 2,148 um betragen und die jeweiligen Spannungen zu der Zeit einer Verarmung (Elektronen sind nicht in dem Photodetektorteil 3 angesammelt) VA = 6 V, VB = 1 V und VC = 5 V betragen.
Zu der Zeit der Verarmung nimmt die Substratspannung Vsub den Wert 10 V gemäß Gleichung (2) an. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, werden die Höhe der Potentialbarriere VB und die Höhe der Potentialbarriere VC geeignete Werte, so daß Elektronen in dem Photodetektorteil 3 angesammelt werden können.
Wenn die Elektronen in dem Photodetektorteil 3 bis zu einer Ladung Qs (darstellend einen Pegel eines gesättigten Signales) angesammelt sind und die Höhe der Potentialbarriere VB auf VBO unter der Bedingung abnimmt, daß die Substratspannung Vsub zurückgehalten wird, nehmen die Elektronen zu, um in das Halbleitersubstrat 1 überzulaufen, und der Strom wächst auf einen Überlaufstrom IOF an. Somit kann ein Übersteuern verhindert werden. Die Höhe der Potentialbarriere VBO beträgt etwa 0,5 V in dem Fall einer Siliziumhalbleitervorrichtung. Unter der Annahme, daß die durch die Gleichungen (1) und (2) erhaltenen Abstände a und b durch aO bzw. bO gegeben sind, wird die Ladung QS durch die folgende Gleichung (3) dargestellt:
Qs = (d&sub3; - a&sub0; - b&sub0;)N&sub3; ... (3)
Das folgende maximale Potential VA, die Höhe der Potentialbarriere VB, die Substratspannung VSub und die Ladung QS werden aufgrund der obigen Erläuterungen jeweils erhalten.
VA = 1,88 V, Vsub = 10,00 V
Vc = 8,62 V, Qs = 5,76 · 10¹¹ cm&supmin;²
Dies entspricht einem Zustand eines Überlaufens, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist.
Wenn außerdem die Substratspannung Vsub unter der Bedingung anwächst, daß Elektronen nicht in dem Photodetektorteil 3 angesammelt sind, nimmt die Höhe der Potentialbarriere VB ab. Wenn die Höhe der Potentialbarriere VB den Wert 0 annimmt, nimmt die Höhe der Potentialverteilung der CCD-Abbildungsvorrichtung regelmäßig in der Tiefenrichtung zu, und die Elektronen werden vollständig in das Halbleitersubstrat 1 entla den, ohne in dem Photodetektorteil 3 angesammelt zu werden. Somit kann eine Elektronenverschlußfunktion, die eine effektive Ansammlungszeit der Elektronen in dem Photodetektorteil 3 reguliert, durch Steigern der Substratspannung Vsub auf ein höheres Niveau erhalten werden. In diesem Fall nehmen die Abstände a und b jeweils die Werte 0 und d&sub5; an. Unter der Annahme, daß das maximale Potential VA und die Höhe der Potentialbarriere VC, die aus Gleichung (1) erhalten ist, jeweils VAS und VCS, betragen, kann die Substratspannung Vsub durch die folgende Gleichung (4) dargestellt werden:
Vsub(Sh) = VAS + VCS ... (4)
Das folgende maximale Potential VA, die Höhe der Potentialbarriere VC und die Substratspannung Vsub werden jeweils aufgrund der obigen Erläuterungen erhalten.
VA = 7,13 V, Vsub = 28,53 V
VC = 21,40 V.
Dies entspricht einem Zustand eines in Fig. 9 gezeigten Verschlusses.
Als ein Ergebnis ist es in der Vertikaltyp-Überlaufdrainstruktur, die in Fig. 7 gezeigt ist, erforderlich, eine extrem hohe Spannung an das Halbleitersubstrat 1 (d. h. die Substratspannung Vsub: 10 V) während eines gewöhnlichen Betriebes und 28,53 V während eines Verschlußbetriebes zu legen. Eine derart hohe Spannung liefert eine Ansteuerschaltung einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung mit einer großen Belastung, so daß vorgeschlagen wurde, daß die Substratspannung Vsub vermindert wird (japanische offengelegte Patentpublikation No. 62-24666).
Eine Vertikaltyp-Überlaufdrainstruktur, die in der Lage ist, die Substratspannung Vsub zu vermindern, ist in Fig. 10 gezeigt. In dieser Struktur ist ein erster Bereich 10 in dem oberen Teil des n-Typ-Halbleitersubstrates 1 gebildet, um in Berührung mit der p-Wannenschicht 2 zu sein. In der Horizontalrichtung ist der erste Bereich 10 in einem Bereich unter dem Photodetektorteil 3 gebildet. In dem ersten Bereich 10 ist die Fremdstoffkonzentration höher als diejenige der p- Wannenschicht 2.
Wenn der erste Bereich 10 in dem Halbleitersubstrat 1 gebildet wird, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist, beträgt die Fremdstoffkonzentration in einem Teil des Halbleitersubstrates 1, der in Berührung mit der p-Wannenschicht 2 ist, N,0, was höher als N&sub1; ist. Unter der Annahem, daß die Fremdstoffkonzenträtion N,0 durch 3 · 10¹&sup5; cm&supmin;³ unter den Bedingungen von N&sub1; = 2 · 10¹&sup4; cm&supmin;³, N&sub2; = 1 · 10¹&sup5; cm&supmin;³, N&sub3; = 2 · 10¹&sup6; cm&supmin;³, N&sub4; = 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³, d&sub3; = 0,672 um, d&sub2; = 2,148 um, VA = 6 V, VB = 1 V und VC = 5 V gegeben ist, betragen das maximale Potential VA des Photodetektorteiles 3, die Höhe der Potentialbarriere VC hiervon, die Substratspannung Vsub und die Ladung QS zu der Zeit eines Überlaufens jeweils 1,88 V, 1,92 V, 3,29 V bzw. 5,76 · 10¹¹ cm&supmin;². Unter den gleichen Bedingungen wie oben betragen das maximale Potential V, des Photodetektorteiles 3, die Höhe der Potentialbarriere V0 hiervon und die Substratspannung Vsub zu der Zeit des Verschlusses jeweils 7,13 V, 4,76 V bzw. 11,89 V.
Fig. 12 zeigt eine Verteilung einer Fremdstoffkonzentration auf einem C-C-Schnitt der CCD-Abbildungsvorrichtung von Fig. 10. In der elektrischen Potentialverteilung zu der Zeit eines Überlaufens und derjenigen zu der Zeit eines Verschlus ses, wie dies in dieser Figur gezeigt ist, kann ein Überlaufstrom IOF in das Halbleitersubstrat 1 zu der Zeit eines Überlaufens entladen werden, und alle Elektronen, die in dem Photodetektorteil 3 angesammelt sind, können in das Halbleitersubstrat 1 zu der Zeit des Verschlusses entladen werden. Zusätzlich kann die Substratspannung Vsub stark in den jeweiligen Fällen vermindert werden.
In den obigen Beispielen betragen das maximale Potential VA, die Höhe der Potentialbarriere VB, die Höhe der Potentialbarriere V~ und die Substratspannung Vsub zu der Zeit einer Verarmung jeweils 5,46 V, 2,37 V, 0,20 V bzw. 3,29 V. Somit wird unter dieser Bedingung das maximale Potential VA höher als die Substratspannung Vsub. Zusätzlich nimmt die Höhe der Potentialbarriere VC einen kleinen Wert wie 0,20 V an. Wie aus der Potentialverteilung zu der Zeit einer Verarmung zu ersehen ist, werden, wie in Fig. 12 gezeigt ist, Elektronen von dem Halbleitersubstrat 1 in den Photodetektorteil 3 injiziert.
Daher ist es in der herkömmlichen Überlaufdrainstruktur, die in Fig. 10 gezeigt ist, für einen praktischen Gebrauch erforderlich, die Substratspannung Vsub höher als das obige Beispiel zu machen. Sonst können die Effekte, daß die Substratspannung Vsub stark vermindert ist, um die Belastung der Ansteuerschaltung der Festkörper-Abbildungsvorrichtung zu erleichtern, nicht ausreichend erhalten werden. Zusätzlich treten in dem obigen Beispiel Probleme auf, daß die Höhe der Potentialbarriere VB extrem klein ist und die Signalladung kaum in dem Photodetektorteil 3 angesammelt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Festkörper-CCD-Abbildungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Patentanspruch 1 angegeben.
Weitere Ausführungsbeispiele werden in den Patentansprüchen 2 bis 4 definiert.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Festkörper-CCD- Abbildungsvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 ist in Patentanspruch 5 definiert.
Der erste Bereich des ersten Leitungstyps, der eine höhere Konzentration als das Halbleitersubstrat hat, kann die Ausdehnung einer Verarmungsschicht in das Substrat verhindern, wenn die Substratspannung rückwärts vorgespannt wird. Somit kann die Bildung des ersten Bereiches die Substratspannung (Absolutwert) während eines gewöhnlichen Betriebes und eines Verschlußbetriebes herabsetzen.
Der zweite Bereich des zweiten Leitungstyps, der eine höhere Konzentration als die Wannenschicht hat, kann die Abnahme in der Höhe der Potentialbarriere von dem Halbleitersubstrat auf den Photodetektorteil infolge der angehobenen Spannung (Absolutwert) des Photodetektorteiles verhindern, wenn die Substratspannung stark durch den ersten Bereich vermindert ist. Somit verhindert die Bildung des zweiten Bereiches, daß Ladung aus dem Halbleitersubstrat in den Photodetektorteil injiziert wird, selbst in dem Fall, in welchem der Photodetektorteil verarmt ist, um eine Spannung anzuheben.
Wie oben beschrieben ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung selbst in dem Fall, in welchem die Substratspannung stark vermindert ist, indem der erste Bereich gebildet wird, um die Belastung auf der Ansteuerschaltung der Festkörper- Abbildungsvorrichtung zu erleichtern, verhindert werden, daß Ladung aus dem Halbleitersubstrat in den Photodetektorteil injiziert wird, wenn der Photodetektorteil verarmt ist.
Gemäß einem Verfahren zum Erzeugen einer Festkörper- Abbildungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird ein Hochenergie-Ionenimplantationsverfahren für den Zweck des Erzeugens der ersten und zweiten Hochkonzentrationsbereiche weg von der Oberfläche der Halbleitervorrichtung verwendet. Folglich kann die Produktivität stark im Vergleich mit dem Fall verbessert werden, in welchem die Wannenschicht auf dem Halbleitersubstrat durch ein epitaktisches Verfahren gebildet wird.
Somit ermöglicht die hier beschriebene Erfindung die Vorteile (1) des Vorsehens einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung, in der Ladung nicht aus dem Halbleitersubstrat in einen Photodetektorteil zu der Zeit einer Verarmung injiziert wird, obwohl eine Substratspannung stark vermindert ist, (2) des Vorsehens einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung mit einer großen maximalen erlaubten optischen Menge und (3) des Vorsehens eines Verfahrens zum Verbessern der Produktivität der Festkörper- Abbildungsvorrichtung.
Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann nach Lesen und Verstehen der folgenden Detailbeschreibung unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren offenbar.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Teillängsschnittdarstellung einer CCD- Abbildungsvorrichtung eines ersten Beispieles gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Verteilung einer Fremdstoffkonzentration auf einem A-A-Schnitt der in Fig. 1 dargestellten CCD-Abbildungsvorrichtung.
Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine Potentialverteilung auf einem A-A-Schnitt der CCD-Abbildungsvorrichtung zeigt, die in Fig. 1 dargestellt ist.
Fig. 4 ist eine Teillängsschnittdarstellung einer CCD- Abbildungsvorrichtung des zweiten Beispieles gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist eine Teillängsschnittdarstellung einer CCD- Abbildungsvorrichtung des dritten Beispieles gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Intensität von einfallendem Licht und der Signalgröße zeigt, wobei die Effekte der vorliegenden Erfindung veranschaulicht sind.
Fig. 7 ist eine Teillängsschnittdarstellung einer herkömmmlichen CCD-Abbildungsvorrichtung.
Fig. 8 ist ein Diagramm, das eine Verteilung einer Fremdstoffkonzentration auf einem B-B-Schnitt der in Fig. 7 dargestellten CCD-Abbildungsvorrichtung zeigt.
Fig. 9 ist ein Diagramm, das eine Potentialverteilung auf einem B-B-Schnitt der in Fig. 7 dargestellten CCD- Abbildungsvorrichtung zeigt.
Fig. 10 ist eine Teillängsschnittdarstellung einer herkömmlichen CCD-Abbildungsvorrichtung.
Fig. 11 ist ein Diagramm, das die Verteilung einer Fremdstoffkonzentration auf einem C-C-Schnitt der in Fig. 10 dargestellten CCD-Abbildungsvorrichtung zeigt.
Fig. 12 ist ein Diagramm, das die Potentialverteilung auf einem C-C-Schnitt der in Fig. 10 dargestellten CCD- Abbildungsvorrichtung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von veranschaulichenden Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Beispiel 1

Die Fig. 1 bis 3 zeigen das erste Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 ist ein Teillängsschnittdärstellung einer CCD-Abbildungsvorrichtung; Fig. 2 ist ein Diagramm, das eine Verteilung einer Fremdstoffkonzentration auf einem A-A- Schnitt von Fig. 1 zeigt; und Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine Potentialverteilung auf einem A-A-Schnitt von Fig. 1 zeigt. In den Fig. 1 bis 3 sind die gleichen Komponenten wie diejenigen der herkömmlichen Beispiele, die in den Fig. 7 bis 12 gezeigt sind, mit den gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in den Fig. 7 bis 12 versehen. Die Beschreibung hiervon wird weggelassen. Zur Vereinfachung ist die Fremdstoffkonzentration von Fig. 2 näherungsweise in einer Stufenform dargestellt.
Eine vertikale Überlaufdrainstruktur einer CCD-Abbildungsvorrichtung eines Zwischenzeilen-Transfertyps ist gemäß dem vorliegenden Beispiel gezeigt. Diese CCD-Abbildungsvorrichtung ist von einem Leitungstyp, der Elektronen als Signalladung verwendet. Die vorliegende Erfindung kann auch auf eine CCD-Abbildungsvorrichtung eines Rahmen- bzw. Vollbild-Transfertyps oder eines linearen Transfertyps mit einer vertikalen Überlaufdrainstruktur sowie auf die CCD-Abbildungsvorrichtung eines Zwischenlinien-Transfertyps angewandt werden. Wenn zusätzlich der Leitungstyp verändert wird, kann die vorliegende Erfindung auf eine CCD-Abbildungsvorrichtung angewandt werden, die Löcher als Signalladung verwendet.
Gemäß dem vorliegenden Beispiel ist wie bei dem herkömmlichen Beispiel von Fig. 7 die p-Wannenschicht 2 eines p-Typ-Halbleiters auf dem n-Typ-Halbleitersubstrat 1 gebildet, der Photodetektorteil 3 ist teilweise aus der p-Wannenschicht 2 gebildet, und die Oberseite des Photodetektorteiles 3 ist mit der p-Typ-Halbleiterschicht 4 hoher Konzentration bedeckt. Zusätzlich ist wie in dem herkömmlichen Beispiel von Fig. 10 der erste Bereich 10 eines n-Typ-Halbleiters von hoher Konzentration unter dem Photodetektorteil 3 gebildet.
In der CCD-Abbildungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist ein zweiter Bereich 20 auf einem Teil des Halbleitersubstrates 1 gebildet. In dem zweiten Bereich 20 ist die Fremdstoffkonzentration höher als diejenige der p-Wannenschicht 2. Es wird gewünscht, daß der zweite Bereich 20 in einem Bereich unter dem Photodetektorteil 3 gebildet ist und etwas größer gemacht ist als der erste Bereich 10 in einer horizontalen Richtung.
Da der erste Bereich 10 und der zweite Bereich 20 in der oben erwähnten CCD-Abbildungsvorrichtung gebildet sind, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, beträgt die Fremdstoffkonzentration auf einem Teil des Halbleitersubstrates 1 in Berührung mit der p-Wannenschicht 2 N,0, was höher ist als N&sub1;, und diejenige der p-Wannenschicht 2 in Berührung mit dem Halbleitersubstrat 1 beträgt N&sub2;&sub0;, was höher ist als N&sub2;. Somit hängen, während das maximale Potential VA durch Gleichung (1) dargestellt wird, die Höhen der Potentialbarrieren VB und VC von dem Abstand a von der Grenze zwischen dem Photodetektorteil 3 und der Halbleiterschicht 4 bis zu der Tiefe des Photodetektorteiles 3 ab, wo das maximale Potential hiervon erhalten wird. Das heißt, das maximale Potential VA wird dargestellt durch die folgende Gleichung (5):
Die Höhen der Potentialbarrieren VB und VC sind abhängig von dem Zustand des Abstandes a durch die folgende Gleichung (6) oder (7) dargestellt:
Wenn a ≤ N&sub2;/N&sub3; d&sub2; vorliegt, dann gilt:
Wenn N&sub2;/N&sub3; d&sub2; vorliegt, dann gilt:
Hier hat die Höhe der Potentialbarriere VB den Wert VBO ( = 0,5 V) zu der Zeit eines Überlaufes. Zur Vereinfachung sei angenommen, daß der Abstand a durch die folgende Gleichung (8) dargestellt ist:
a a&sub0; = N&sub2;/N&sub3; d&sub2; ... (8)
Ein Abstand a&sub0; zu der Zeit des Überlaufes und eine Tiefe d&sub2; der p-Wannenschicht 2 können durch die folgende Gleichung (9) dargestellt werden:
Zusätzlich wird zu dieser Zeit, unter der Annahme, daß die Höhe der Potentialbarriere VC durch VCO gegeben ist, eine Tiefe d&sub2;&sub0; des zweiten Bereiches 20 dargestellt durch die folgende Gleichung. (10):
Unter der Annahme, daß das maximale Potential VA durch WAO gegeben ist, wird der Abstand b durch die folgende Gleichung (11) dargestellt:
Die Ladung QS (Größe eines gesättigten Signales) zu der Zeit eines Überlaufes wird durch die folgende Gleichung (12) dargestellt:
Qs = (d&sub3; - a&sub0; - b&sub0;)N&sub3; ... (12)
Unter der Annahme, daß die Höhe der Potentialbarriere VC zu der Zeit einer Verarmung durch VC1. (0,5 V < VC1 < VC0) gegeben ist, entspricht dies der Bedingung von a in Gleichung (7), so daß der Abstand a durch die folgende Gleichung (13) wiedergegeben wird:
a a&sub1;
aus den Gleichungen (7) und (13) kann VB1 (Höhe der Potentialbarriere Va zu der Zeit einer Verarmung) erhalten werden. Somit wird das maximale Potential VA durch die folgende Gleichung (14) dargestellt:
VA = VA1 = Vsub - VC1, + VB1 ... (14)
Aus den Gleichungen (5) und (14) kann der Abstand b erhalten werden. Unter der Annahme, daß der so erhaltene Abstand durch b&sub1; gegeben ist, wird eine Dicke d&sub3; des Photodetektorteiles 3 durch die folgende Gleichung (15) dargestellt:
d&sub3; = a&sub1; + b&sub1;... (15)
Zusätzlich wird der Abstand a zu Null zu der Zeit eines Verschlusses, so daß der Abstand b mit der Dicke d&sub3; des Photodetektorteiles 3 übereinstimmt. Zu dieser Zeit wird die Substratspannung Vsub durch die folgende Gleichung (16) dargestellt:
Unter der Annahme, daß die Fremdstoffkonzentrationen durch N&sub1; = 2 · 10¹&sup4; cm&supmin;³, N&sub2; = 1 · 10¹&sup5; cm&supmin;³, N&sub3; = 2 · 10¹&sup6; cm&supmin;³ und N&sub4; = 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ gegeben sind, betragen die Fremdstoffkonzentrationen der ersten und zweiten Bereiche 10 und 20 jeweils N&sub1;&sub0; = 5 x 10¹&sup5; cm&supmin;³ bzw. N&sub2;&sub0; = 1 · 10¹&sup6; cm&supmin;³; und die jeweiligen Potentiale zu der Zeit eines Überlaufes sind VA = 1,5 V, VB = 0,5 V, VC = 2,5 V und Vsub = 3,5 V, die Abstände a&sub0; und b&sub0;, eine Dicke d&sub2; der p-Wannenschicht 2 und eine Dicke d&sub2;&sub0; des zweiten Bereiches 20 sind jeweils gegeben durch 0,039 um, 0,308 um, 0,785 um bzw. 0,328 um.
Unter der Annahme, daß die Höhe der Potentialbarriere VC, zu der Zeit einer Verarmung durch 1,0 V gegeben ist, werden die jeweiligen Potentiale VB1 und Vii, die Abstände a&sub1; und b&sub1; und die Dicke d&sub3; des Photodetektorteiles 3 wie folgt erhalten: VB1 = 2,21 V, VA1 = 4,71 V (VSUb = 3,5 V), a&sub1; = 0,100 um, b&sub1; = 0,546 um und d&sub3; = 0,646 um. Darüber hinaus werden die Ladung QS zu der Zeit eines Überlaufes und die Substratspannung VSUb zu der Zeit eines Verschlusses wie folgt erhalten: QS = 5,96 x 10¹¹ cm² und Vsub (Sh) = 10,66 V.
Als ein Ergebnis kann die vertikale Überlaufdrainstruktur unter den oben erwähnten Bedingungen gebildet werden, und die Potentialverteilung in diesem Fall ist so, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Substratspannung Vsub beträgt 3,5 V während gewöhnlicher Operationen und 10,66 V während Verschlußoperationen. Somit ist eine größere Abnahme in der Substratspannung Vsub möglich gemacht, verglichen mit den herkömmlichen Beispielen, die in den Fig. 7 bis 9 gezeigt sind. In dem Fall, in welchem der Photodetektorteil 3 vollständig verarmt ist, nimmt das maximale Potential VA1 den Wert 4,71 V an (was niedriger als die Substratspannung Vsub, d. h. 3,5 V, ist). Darüber hinaus wird die Höhe der Potentialbarriere Vc, von dem Halbleitersubstrat 1 zu dem Photodetektorteil 3 zu 1,0 V (Beibehalten einer ausreichenden Potentialbarriere), so daß verhindert werden kann, daß Elektronen von dem Halbleitersubstrat 1 in den Photodetektorteil 3 injiziert werden. Darüber hinaus nimmt die Ladung QS zu der Zeit eines Überlaufes den oben erwähnten Wert an (was eine ausreichende Größe ist).
In Fig. 2 ist die Tiefe d&sub1;&sub0; des ersten Bereiches 10 in gewünschter Weise wie folgt eingestellt:
Wenn eine Rückwärtsvorspannung zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und der p-Wannenschicht 2 liegt, erstreckt sich ein Verarmungsteil von der Übergangszwischenfläche zwischen dem Halbleitersubstrat I und der p-Wannenschicht 2 zu dem Halbleitersubstrat 1. Zu dieser Zeit bleibt das Ende des Verarmungsteiles in dem ersten Bereich wenigstens unterhalb des Photodetektorteiles 3. Zu der Zeit eines Verschlusses erstreckt sich der Verarmungsteil am meisten. Somit wird die Tiefe dlo in der folgenden Weise bestimmt:

Beispiel 2

Fig. 4 ist eine Teillängsschnittdarstellung einer CCD- Abbildungsvorrichtung des zweiten Beispieles gemäß der vorliegenden Erfindung. Die gleichen Bauteile wie diejenigen des ersten Beispiels, das in Fig. I gezeigt ist, sind mit den gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in Fig. 1 markiert.
In dem vorliegenden Beispiel ist der zweite Bereich 20 über der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 gebildet.
In dieser Struktur ist die Potentialverteilung der CCD- Abbildungsvorrichtung die gleiche wie diejenige der Fig. 2, so daß die gleichen Effekte wie diejenigen des Beispiels 1 erhalten werden können. Zusätzlich ist in dem vorliegenden Beispiel der zweite Bereich 20 auch unter dem Transferteil 7 ausgebildet, so daß verhindert werden kann, daß Ladung von dem Halbleitersubstrat 1 zu dem Transferteil 7 ohne Ausfall injiziert wird. Selbst wenn darüber hinaus in diesem Fall die Abmessung eines Pixels weiter reduziert wird, ist es nicht erforderlich, das horizontale Streuen des zweiten Bereiches 20 zu berücksichtigen.

Beispiel 3

Fig. 5 ist eine Teillängsschnittdarstellung einer CCD-Abbildungsvorrichtung des dritten Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung. Die gleichen Bauteile wie diejenigen der Beispiele 1 und 2, die in den Fig. 1 und 4 gezeigt sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in den Fig. 1 und 4 markiert. Die Beschreibung hiervon wird weggelassen.
In dem vorliegenden Beispiel sind die ersten und zweiten Bereiche 10 und 20 jeweils in dem Halbleitersubstrat und in der p-Wannenschicht 2 gebildet. Beide ersten und zweiten Bereiche 10 und 20 sind über ein ganzes Pixel gebildet.
In der oben beschriebenen Struktur wird die gleiche Potentialverteilung der CCD-Abbildungsvorrichtung wie diejenige von Fig. 2 erhalten, so daß die gleichen Effekte wie diejenigen von Beispiel 1 erzielt werden können. Es kann in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 verhindert werden, daß Ladung von dem Halbleitersubstrat 1 zu dem Transferteil 7 injiziert wird, indem die Bedingungen zum Erzeugen des zweiten Bereiches 20 gewählt werden. In dem vorliegenden Beispiel ist es in dem Fall, in welchem die Abmessung eines Pixels weiter reduziert wird, nicht erforderlich, das horizontale Streuen des ersten Bereiches 10 sowie des zweiten Bereiches 20 zu berücksichtigen. Somit können die ersten und zweiten Bereiche 10 und 20 einfach gebildet werden.
Die ersten und zweiten Bereiche 10 und 20 in den oben erwähnten jeweiligen Beispielen werden an Stellen gebildet, die von der Oberfläche der CCD-Abbildungsvorrichtung entfernt sind. In diesen Bereichen ist die Fremdstoffkonzentration hoch. Zum Erzeugen dieser Bereiche kann ein Verfahren, bei dem die p- Wannenschicht 2 auf dem Halbleitersubstrat 1 durch Verwenden eines epitaxialen Wachstums erzeugt ist, verwendet werden, wie dies in der japanischen offengelegten Patentpublikation Nr. 62-24666 gezeigt ist. In den oben erwähnten jeweiligen Beispielen wird ein Ionenimplantationsverfahren hoher Energie verwendet.
Gemäß dem hochenergetischen Ionenimplantationsverfahren haben eine mittlere Implantationstiefe R~, eine Standardabweichung ßp und eine Implantationsenergie E zum Implantieren von Ionen von Bor und Phosphor die folgenden Beziehungen (S. M. Sze ed. "VLSI Technology" 2nd ed. (McGraw-Hill, 1988) Ch. 8):
Bor:
Rp= 85,6E0,777 [Å]
σp = 1760E0,160 - 1990E0,0192 [Å]
Phosphor:
Rp = 15,6E0,958 [Å]
Bo = 22,4E0,659 [Å]
mit E: keV
In dem Fall, in welchem Phosphor verwendet wird, um den ersten Bereich 10 in den oben erwähnten jeweiligen Beispielen zu bilden, betragen unter der Annahme, daß die Implantations energie E durch 2,12 MeV gegeben ist, die mittlere Implantationstiefe Rp und die Standardabweichung σP jeweils 2,40 um bzw. 0,35 um. Somit wird Phosphor in einem Bereich mit einer Tiefe in dem Gebiet von 2,05 um bis 2,75 um mit hoher Konzentration implantiert.
In dem Fall, in welchem Bor zum Erzeugen des zweiten Bereiches 20 verwendet wird, betragen unter der Annahme, daß die Implantationsenergie E durch 1,01 MeV gegeben ist, die mittlere Implantationstiefe Rp und die Standardabweichung σp jeweils 1,85 um bzw. 0,14 um. Somit wird Bor in einem Bereich mit einer Tiefe in dem Gebiet von 1,71 um bis 1,99 um mit hoher Konzentration implantiert.
Unter der Annahme, daß die Dicke d&sub4; der Halbleiterschicht 4 den Wert 0,24 um hat, wird der erste Bereich 10 in einer Tiefe in dem Gebiet von 2,00 um bis 2,81 um gebildet; und der zweite Bereich 20 wird in einer Tiefe in dem Gebiet von 1,67 um bis 2,00 um gebildet. Diese Ergebnisse sind nahezu gleich zu denjenigen der Ionenimplantation von Phosphor und Bor. Somit ist zu verstehen, daß das hochenergetische Ionenimplantationsverfahren zum Erzeugen der ersten und zweiten Bereiche 10 und 20 in den oben erwähnten jeweiligen Beispielen geeignet ist.
Die Verwendung des hochenergetischen Ionenimplantationsverfahrens zur Erzeugung der CCD-Abbildungsvorrichtung ist eine gewöhnlich bekannte Technik (beispielsweise "Nikkei Microdevice", veröffentlicht durch Nikkei BP Corporation, Seiten 99- 103, Dezember (1991)). Jedoch wurde gewöhnlich das hochenergetische Ionenimplantationsverfahren zum Zwecke des Verbesserns der Gleichmäßigkeit in einer Tiefenrichtung und zum Verhindern der Dispersion in einer horizontalen Richtung verwendet. Dieses Verfahren wurde niemals zum Erzeugen des ersten Bereiches 10 und/oder des zweiten Bereiches 20 sowie zum Verbessern der Potentialverteilung in den oben erwähnten Beispielen eingesetzt.
Es ist aus der obigen Beschreibung ersichtlich, daß erfindungsgemäß verhindert werden kann, daß Elektronen aus dem Halbleitersubstrat in den Photodetektorteil in dem Fall injiziert werden, in welchem die Substratspannung abnimmt. Somit kann eine Belastung auf die Ansteuerschaltung der Festkörper- Abbildungsvorrichtung in befriedigender Weise durch starkes Vermindern der Substratspannung erleichtert werden. Zusätzlich kann die Produktivität der Festkörper-Abbildungsvorrichtung verbessert werden, indem das hochenergetische Ionenimplantationsverfahren verwendet wird.
Weiterhin kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Knieeffekt (d. h. eine angesammelte Signalmenge nimmt mit der Steigerung in der Intensität des einfallenden Lichtes zu, nachdem die Ansammlung der Elektronen in dem Photodetektorteil einen gesättigten Signalpegel erreicht) verglichen mit der herkömmlichen Vorrichtung aus den folgenden Gründen im wesentlichen vermieden werden.
In der herkömmlichen Vorrichtung nimmt zum Steigern des Überlaufstromes IOF mit der Zunahme in der Intensität des einfallenden Lichtes die Höhe der Potentialbarriere VC von dem Halbleitersubstrat 1 zu dem Photodetektorteil 3 stark mit der Abnahme in der Höhe der Potentialbarriere VB von dem Photodetektorteil 3 zu dem Halbleitersubstrat 1 zu. Insbesondere ist das maximale Potential VA des Photodetektorteiles 3 merklich vermindert, so daß die Menge der in dem Photodetektorteil 3 angesammelten Signale stark angewachsen ist.
Obwohl die Höhe der Potentialbarriere VB abnimmt, nimmt andererseits gemäß der vorliegenden Erfindung die Höhe der Potentialbarriere VC in einem kleinen Ausmaß zu. Da insbesondere die Abnahme im Potential VA klein ist, wird die Zunahme in der Menge der in dem Photodetektorteil 3 angesammelten Signale auf einen niedrigeren Pegel gedrückt.
Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Intensität des einfallenden Lichtes und der Menge der in dem Photodetektorteil 3 angesammelten Signale. In dieser Figur bedeutet (A) eine charakteristische Kurve der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung und (B) stellt eine charakteristische Kurve der herkömmlichen Vorrichtung dar. In der herkömmlichen Vorrichtung nimmt, wie durch (B) dargestellt, die Menge der in dem Photodetektorteil 3 angesammelten Signale stark zu, nachdem ein gesättigter Signalpegel QSO bei der Intensität des einfallenden Lichtes PO erreicht ist, und erreicht die maximal erlaubte Signalmenge QSM bei der Intensität des einfallenden Lichtes PB. Andererseits wird in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, wie dies durch (A) dargestellt ist, die Steigerung in der Menge der in dem Photodetektorteil 3 angesammelten Signale auf einen kleinen Pegel nach Erreichen des gesättigten Signalpegels Qso bei der Intensität des einfallenden Lichtes PO unterdrückt und erreicht die maximal erlaubte Signalmenge QsM bei der Intensität des einfallenden Lichtes PA (PA » PB). Insbesondere kann gemäß der vorliegenden Erfindung die maximal erlaubte optische Menge der Vorrichtung stark von PB auf PA gesteigert werden.

Claims

1. Festkörper-Abbildungsvorrichtung mit:

einem Halbleitersubstrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer Wannenschicht (2), die aus einem Halbleiter eines zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyps hergestellt ist, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist,

einem Fotodetektorteil (3), der aus einem Halbleiter des ersten Leitfähigkeitstyps hergestellt ist, der auf einem oberen Teil der Wannenschicht (2) ausgebildet ist,

einer Halbleiterschicht (4) hoher Konzentration, die aus dem zweiten Leitfähigkeitstyp hergestellt und in einem oberen Teil des Fotodetektorteiles (3) ausgebildet ist,

einem ersten Bereich (10) des ersten Leitfähigkeitstyps, der in einem oberen Teil des Halbleitersubstrates (1) ausgebildet ist, wobei der erste Bereich (10)

in Berührung mit der Wannenschicht (2) und wenigstens unterhalb des Fotodetektorteiles (3) gelegen ist und eine höhere Konzentration des ersten Leitfähigkeitstyps als das Halbleitersubstrat hat, und

einem zweiten Bereich (20) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der in einem unteren Teil der Wannenschicht (2) gebildet ist, wobei der zweite Bereich in Berührung mit dem Halbleitersubstrat (1) und auf dem ersten Bereich gelegen ist und eine höhere Konzentration des zweiten Leitfähigkeitstyps als die Wannenschicht hat.

2. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der zweite Bereich (20) in einem unteren Teil der Wannenschicht, in Berührung mit dem Halbleitersubstrat und wenigstens auf dem ersten Bereich (10) gelegen, um den ersten Bereich zu bedecken, gebildet ist.

3. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der zweite Bereich (20) in einem gesamten unteren Teil der Wannenschicht (2), in Berührung mit dem Halbleitersubstrat, gebildet ist.

4. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der der erste Bereich (10) in einem gesamten oberen Teil des Halbleitersubstrats (1), in Berührung mit Wannenschicht, gebildet ist.

5. Verfahren zum Herstellen einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, umfassend den Schritt des Bildens des ersten Bereiches (10) des ersten Leitfähigkeitstyps, der eine höhere Konzentration des ersten Leitfähigkeitstyps als das Halbleitersubstrat hat, und des zweiten Bereiches des zweiten Bereiches des zweiten Leitfähigkeitstyps, der eine höhere Konzentration des zweiten Leitfähigkeitstyps als die Wannenschicht hat, mittels eines Ionenimplantationsverfahrens hoher Energie.