SE460001B - Bildsensoranordning i ccd-utfoerande foer att uppsamla en straalningsbild och omvandla den till en elektrisk signal - Google Patents

Description

460 001 2 därvid vanligt att alternativt aktivera de jämna och de udda linjerna på bild- skärmen. Det är därför önskvärt för denna s k interfoliering att en överföring från den strålningskänsliga delen till ett lagringsregister sker två gånger inom en linjeperiod (1/30 - 1/25 sek), varigenom laddningslagring äger rum om- växlande i olika delar av den strålningskänsliga delen. För detta ändamål upp- samlas laddningspaketen i nämnda bildsensoranordning inom en bildperiod omväx- lande vid olika ställen, dvs omväxlande under de två elektroderna i den första gruppen och under elektroddelarna som begränsar fönstren i transportriktningen.

Emellertid uppstår problem vid denna metod för interfoliering. Ett problem består i att för att erhålla en hög strålningskänslighet i den aktuella bild- sensoranordningen de delar som är belägna mellan fönstren tillhörande de elek- troder som är parallella med transportriktningen har en längd som överstiger bredden. Dessa elektroddelars bredd är generellt lika med minimispårbredden för de ledarspår som användes till följd av minimeringen av den använda ytan. För att erhålla en hög strålningskänslighet väljes längden hos dessa delar några gånger större, i en typisk utföringsform t ex 14 /um vid en (minimi-)spår- bredd av 3,6 /um. Då laddning uppsamlas under denna elektrod har den tillhö- rande utarmningszonen därför en yta av ungefär 50 /um2. Samtidigt är inte- grationszonerna noggrant definierade till följd av det faktum att elektrodernas inbördes avstånd inte är så stort (ungefär 5 /um) så att elektroner som alst- ras mellan transportkanalerna fördelas mellan dessa angränsande transportkana- ler.

I den anordning som är visad i den nämnda hollänska patentansökningen där kanalstoppregioner sträcker sig under elektroderna i den första gruppen och dessutom begränsar transportkanalen uppsamlas laddning under en andra integra- tionsperiod inom samma bildperiod under elektroderna som är belägna vinkelrät mot laddningstransportkanalen och delvis överlappar varandra. Med samma (mini- mi-lspårbredd skulle utarmningszonen i detta fall uppta maximalt en yta av un- gefär 12 /umz. Dessutom ansluter sig den så alstrade utannningszonen bara vid hörnen till de omgivande strålningsgenomsläppliga fönstren. Detta betyder att laddningsbärarna, i synnerhet om de är alstrade i mitten av ett sådant fönster, har en extra lång bana till utarmningszonen jämfört med situationen under den nämnda första integrationsperioden. Denna effekt ökas ytterligare genom det nämnda faktumet att fönstren har större dimension i transportrikt- ningen än i tvärriktningen.

För att undvika denna effekt skulle de alstrade signalerna kunna förstär- kas i olika grad men detta leder till att extra styrelektronik måste användas. * 4so oo1 Att förstora utarmningszonen under de första elektroderna genom att välja smalare kanalstoppregioner under dessa elektroder är också endast delvis effek- tivt. I verkligheten har det visat sig att, i synnerhet till följd av det stora avståndet från elektroddelen som är parallell med transportriktningen den effektiva känsligheten hos angränsande integrationsområden kan variera avsevärt till följd av processvariationer och avvikelser i elektrodernas geometri till följd av det faktum att barriären under dessa elektroddelar är dåligt definie- rad till följd av nämnda variationer. Detta skulle kunna förbättras något på elektronisk väg därigenom att medelvärdet av två bildsignaler användes vid signalbehandlingen.

Uppfinningen har till ändamål att åstadkomma en laddningskopplad bildsen- soranordning, i vilken dessa nackdelar till största delen är eliminerade däri- genom att anordningen är mindre känslig för processvariationer och maskavvikel- ser.

Den har ytterligare till ändamål att åstadkomma en sådan anordning i vil- ken laddningspaketen för de jämna och udda bildlinjerna uppsamlas på i huvudsak samma sätt.

Uppfinningen är baserad på upptäcken av det faktum att detta kan uppnås genom att använda en elektrodstruktur där en kontinuerlig elektrodstruktur bil- das i den strålningskänsliga delen av anordningen ovanför transportkanalerna så att ingen förlust i transporteffektivitet inträffar, och att detta kan uppnås medelst en andra och en tredje grupp av elektroder vilka helt eller delvis de- finierar fönstrens kanter och är anordnande tvärs mot transportriktningen.

En laddningskopplad bildsensoranordning enligt uppfinningen är därför kännetecknad av att elektrodsystemet innefattar en andra grupp elektroder bil- dade i ett andra ledande skikt och innefattande spârformade basdelar anordnade över växelvisa elektroder av den första gruppen och innefattande utstickande delar som sträcker sig från basdelarna ovanför laggningsöverföringskanalerna och täcker växelvisa gap mellan elektroderna hos den första gruppen, varvid elektrodsystemet innefattar en tredje grupp av elektroder bildade i ett tred- je ledande skikt och innefattande spårformade basdelar anordnade ovanför växel- visa elektroder hos den första gruppen och innefattande utstickande delar som sträcker sig från basdelarna över växelvisa gap mellan elektroderna hos den första gruppen som inte är täckt av elektroderna hos den andra gruppen,'och varvid de utstickande delarna hos den andra och tredje gruppen av elektroder lämnar nämnda fönster fria mellan laddningstransportkanalerna.

Som följd härav kan stabila fönster erhållas. 1 verkligheten begränsas de nu i transportriktningen av elektroder i den första gruppen av elektroder an- 460 001 *I ordnade 1 ett behandlingssteg och i tvärriktningen av delar av elektroderna i den andra eller den tredje gruppen av elektroder, varigenom dessutom elektro- derna i den andra och den tredje gruppen kan ha samma form. Eventuella relativa förskjutningar av den andra och den tredje gruppen av elektroder är nu i huvud- sak lika genom hela halvledaranordningen och påverkar inte fönstrens storlek.

Delarna av elektroden ovanför transportkanalerna, jämför bildsensoranord- ningen i den holländska patentansökningen 8000999, är nu uppdelade i två grup- per. Detta ger möjligheter att uppsamla laddning omväxlande under elektroddelar i den ena av de tvâ grupperna, vilka är belägna omedelbart vid sidan av de strâlningsgenomsläppliga fönstren. Medelst ett fyr-fasklocksystem, för inter- foliering, kan laddning sedan uppsamlas två gånger inom en bildperiod praktiskt taget på identiskt sätt från i huvudsak närliggande noggrant definierade delar av den strålningskänsliga delen av anordningen.

Till priset av en viss volym kan den relativa variationen i storleken hos fönster, som är definierade i olika halvledarkroppar, reduceras ytterligare genom att låta fönstren helt begränsas av elektroderna i den andra och den tredje gruppen. Följaktligen undvikes eventuella variationer i känsligheten för blått ljus till följd av instâllningstoleranser under framställningen av den första gruppen av elektroder. _ En föredragen utföringsform av en bildsensoranordning enligt uppfinningen kännetecknas av att elektroderna i den första gruppen är omväxlande kopplade till en elektrod i den andra och den tredje gruppen på sådant sätt att kopp- lingen, åtminstone vid drift, inför en spänningsskillnad mellan elektroderna i den första gruppen och elektroderna i den andra respektive den tredje gruppen.

En sådan anordning är i synnerhet lämplig för laddningstransport medelst två-fasklocksystem.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas mera detaljerat med hänvisning till några utföringsformer och ritningen där: Fig 1 schematiskt visar ett principiellt kopplingsschema för en laddnings- kopplad bildsensoranordning enligt uppfinningen; Fig 2 visar schematiskt en planvy av en del av den strålningskänsliga de- len av en sådan bildsensoranordning: Fig 3 visar schematiskt ett tvärsnitt genom bildsensoranordningen taget längs linjen III-III'i fig 2; ' Fig 4 visar schematiskt ett tvärsnitt genom bildsensoranordningen taget längs linjen IV-IV i fig 2; f 460 001 Fig 5 visar schematiskt ett tvärsnitt genom bildsensoranordningen taget längs linjen V-V i fig 2; Fig 6 visar schematiskt en planvy av en del av den strålningskänsliga de- len av en annan bildsensoranordning enligt uppfinningen, Fig 7 visar schematiskt ett tvärsnitt genom bildsensoranordningen taget längs linjen VII-VII i fig 6 Och Fig 8 visar schematiskt ett tvärsnitt genom bildsensoranordningen taget längs linjen VIII-VIII i fig 6.

Figurerna är schematiska och ej ritade i skala, varvid för tydlighets skull i tvärsnitten i synnerhet dimensionerna i tjockleksriktningen är kraftigt överdrivna. Halvledarzoner av samma ledningsförmâgetyp är generellt sektionera- de i samma riktning; i de olika utföringsfonnerna har motsvarande delar gene- rellt getts samma hänvisningsbeteckningar.

Fig 1 visar det principiella kopplingsschemat för en laddningskopplad bildsensoranordning 1 av s k bild/delbildsöverföringstyp. En sådan bildsensor- anordning innefattar en strålningskänslig del 2 där ett mönster av elektriska laddningsbärare som svarar mot strâlningsbilden alstras under en given expone- ringsperiod. Efter exponeringsperioden lagras mönstret av elektriska laddnings- bärare temporärt i lagringsdelen 3, varifrån mönstret avläses sekventiellt medelst skiftregistret 4. Denna avläsning kan utföras medelst känd teknik.

Eventuellt kan de erhållna signalerna förstärkas innan de behandlas vidare medelst den schematiskt visade förstärkaren 22.

Bildsensoranordningen (fig 2-5) innefattar en halvledarkropp 5 som t ex är sammansatt av ett kiselsubstrat 6 av n-typ med en motstândsförmâga av ungefär 10 ohm.cm (ungefär 5.1014 donatoratomer/cm3) och en zon av p-typ som är avsatt därpå och har en dopning av ungefär 3.1015 acceptoratomer/cm3. Zonen 7 av p-typ kan exempelvis vara avsatt medelst epitaxiell tillväxt. Vid huvud- ytan 8 av halvledarkroppen 5 finns ett definierat antal inbördes separerade väsentligen parallella laddningstransportkanaler (i fig 1 betecknade med hän- visningssiffran 9) där laddningstransport kan äga rum, såsom är schematiskt angivet i fig 1 med pilar 10. I föreliggande fall utgöres laddningstransportan- ordningen eller ccdzn av en ccd med "bulk"-transport pccd eller bccd. Ladd- ningstransportkanalerna utgöres av zoner 11 av n-typ vilka är inbördes separe- rade genom zoner 12 av p-typ. Zonerna av n-typ har i detta exempel i medeltal en föroreningskoncentration av ungefär 1016 atomer/cm3 och har ett djup av ungefär 1/um, medan deras bredd uppgår till ungefär 3,5 /um.3Zonerna 12 av ptyp har vid ytan en koncentration av ungefär 10 atomer/cm , medan bred- 460 001 _ “ den av dessa zoner vid ytan är ungefär 5 /um och dessa zoner tränger ner till ett djup av ungefär 0,5 /um in i halvledarkroppen 5.

Huvudytan 8 är täckt med ett skikt 13 av isolerande material, t ex Kisel- oxid. På detta isolerande skikt 13 är en första grupp av elektroder anordnad medelst vilka spänningsbrunnar kan alstras i halvledarmaterialet för laddnings- lagring och laddningstransport.

Denna första grupp av elektroder 15, 16 är inbördes isolerad och sträcker sig i riktning vilketrätt mot laddningstransportkanalernas riktning i jämna intervall av ungefär 4/um längs kanalen.

Som material i elektroderna kan t ex polykristallint kisel väljas. Emedan polykristallint kisel är relativt dåligt genomsläppligt för kortvågigt (blått) ljus är elektrodsystemet försett med fönster 14 genom vilka i synnerhet blått ljus kan tränga in i halvledarkroppen 5 och alstra laddningsbärare däri.

Enligt uppfinningen innefattar elektrodsystemet därför en andra grupp av elektroder 17 och en tredje grupp av elektroder 18, vilka i huvudsak är belägna tvärs mot transportkanalerna 11 och av vilka utskjutande delar 19, 20 sträcker sig över dessa kanaler 11 i riktning parallellt med laddningstransportriktning- en. Elektroderna 17, 18 och elektroderna 15, 16 begränsar de strålningsgenom- släppliga fönstren 14 i kanalernas 11 tvärriktning, medan de utskjutande delar- na 19, 20 av elektroderna 17, 18 begränsar fönstren 14 i kanalernas 11 längd- riktning. Ovanför kanalen 11 överlappar elektroden 18 delvis utskjutande delar 19 av en elektrod 17, medan utskjutande delar 20 av eletkroden 18 delvis över- lappar en nâstföljande elektrod 17 belägen på den andra sidan om elektroden 18.

Till följd av det faktum att laddningstransportkanalerna 11 således fullstän- digt är täckta av elektrodsystemet uppträder ingen förlust i transportverk- ningsgraden då laddning transporteras under dessa elektroder. Ovanför kanalerna 11 bildar elektroderna 17 och 18 i denna utföringsform tillsammans med elektro- derna 15 och 16 ett elektrodsystem för ett fiyrfasklocksystem.

I denna konfiguraion kan laddningsbärare som är alstrade genom strålning nu omväxlande integreras på samma sätt i angränsande områden. För detta ändamål uppsamlas de aktuella laddningspaketen omväxlande under de utskjutande delarna 19 och 20 av elektroderna 17 respektive 18. Vid exponering av den strâlnings- känsliga delen 2 av bildsehsoranordningen alstras laddningsbärare. I synnerhet blått ljus alstrar i huvudsak bara-laddningsbärare ned till ett djup av ungefär 0,1/um, i synnerhet i zonen 12 av p-typ, vilken är fri genom fönstren 14.

Hålen som alstras till följd av denna strålning blir kvar i zonen 12 av p-typ, medan de alstrade elektronerna fördelas över de angränsande laddningstran- l 460 001 sportkanalerna 11 till följd av det faktum att en sådan spänning tillföres elektroden 17 eller elektroden 18 att potentialbrunnar för elektroner erhålles i laddningstransportkanalen under elektroderna 17 eller 18.

Ljus av större våglängd når ytan 8 också utanför fönstren 14 och alstrar laddningsbärare ned till ett mycket större djup. Det gäller därvid att elektro- nerna flyter till de närmaste potentialbrunnarna i kanalzonerna ll, medan hålen uppsamlas genom zonerna 12 av p-typ eller substratet 7 av p-typ.

Inom en bildperiod, t ex under den första halvan, tillföras en sådan spän- ning till elektroderna 17 att spänningsbrunnar bildas under de utskjutande de- larna 19 i kanalzonerna 11, i vilka laddningspaket (elektroner) uppsamlas på ovan beskrivet sätt. De utskjutande delarna 15 har därvid t ex en längd av 5/um och en bredd av 3,6/um och ett inbördes avstånd av 5/um.

Därefter transporteras laddningspaketen till lagringsdelen 3 med hjälp av en lämpligt vald klockspänningsvariation på elektroderna 15, 16, 17 och 19 för vidare behandling.

Under den andra hälften av perioden bildas först spänningsbrunnar under de utskjutande delarna 20 av elektroden 18 vilka har samma dimensioner som delarna 19. Således uppnås att i båda halvorna av en period laddning uppsamlas på i huvudsak samma sätt i två rader av bildelement. Sedan laddningspaketen har sam- lats upp transporteras de till lagringsdelen 3. De klocksignaler som krävs för elektroderna 15, 16, 17 och 18 kan om så önskas användas för att överföra in- formation som fortfarande är lagrad från den första halvan av bildavkänningspe- rioden till ett utgångsregister 4 för vidare behandling.

En ännu mera gynnsam metod för interfoliering består däri att laddning kontinuerligt uppsamlas under elektroddelarna 19 och 20 av elektroderna 17 och 18. Efter integrationsperioderna, exempelvis under den första halvan av en bildperiod, summeras laddningspaketen som är uppsamlade under elektroddelarna 19 till de som är uppsamlade under elektroddelarna 20, medan under den andra halvan laddningspaketen som är uppsamlade under elektroddelarna 20 sunmeras med de som är uppsamlade under delarna 19. Summeringsprocessen utföres så att ladd- ningstransporten äger rum i pilarnas 10 riktning.

Lagringsdelen 3 behöver inte uppsamla strålning och behöver följaktligen inte heller vara försedd med fönster så att den som en helhet kan realiseras på en avsevärt mindre yta än den strålningskänsliga delen 2.

De erforderliga klocksignalerna för laddningstransporten både i sensorde- len 2 och i lagringsdelen 3 kan liksom klocksignalerna för skiftregistret 4 på känt sätt exempelvis erhållas med hjälp av skiftregister som ej är visade i fig 1. '460 001 Anordningen kan framställas på vanligt sätt. Sedan ett epitaxiellt skikt 7 av P-typ har tillväxt på substratet 6 av n-typ bildas kanaler 11 av n-typ i detta skikt medelst implantation eller diffusion. På ytan 8 avsättes ett tunt oxidskikt och på detta skikt bildas på känt sätt elektroderna lö, 16, företrä- desvis av polykristallint kisel. Efter ett oxidationssteg för att elektriskt isolera elektroderna 15, 16 bildas elektroderna 17, 19, likaledes av polykri- stallint kisel. Sedan dessa elektroder åter har elektriskt isolerats genom ett oxidationssteg bildas elektroderna 18, 20. Sedan elektrodsystemet på detta sätt har fullbordats bildas zonerna 12 medelst ett implantationssteg.

Den i figurerna 1-5 visade anordningen kan på enkelt sätt göras lämplig för ett två-fasklocksystem, nämligen genom att anbringa en sådan spännings- skillnad mellan elektroderna 17 och 18 och elektroderna 19 och 20 att asymmet- riska spänningsbrunnar erhålles. Spänningsskillnaden som i fig 2 är schematiskt angiven genom spänningskällan 21 kan t ex tillföras medelst en spänningsdelare, såsom är beskrivet i den hollänska publicerade patentansökningen 7.200.519, eller genom en kapacitiv koppling, såsom är beskrivet i holländska publicerade patentansökningen 7 114 859. En ytterligare fördel med denna konfiguration är den låga relativa kapacitansen mellan de två klockfaserna emedan dessa faser överlappar varandra utefter en mycket liten del.

I anordningen som är visad i figurerna 6-8 är elektroderna 17, 18 så ut- förda att de helt definierar fönstren 14. Även om detta sker till priset av en given yta är alla fönstren 14 nu helt identiska; detta kan enkelt uppnås där- igenom att samma mask användes vid framställningen av de inbördes förskjutna elektroderna 17 och 18. Till följd av det faktum att elektroderna 15, 16 nu inte deltar i begränsningen av fönstren 14 så kommer inbördes toleranser mellan dessa elektroder och elektroderna 17, 18 inte längre att inverka på fönstrens storlek.

Laddningspaketen uppsamlas nu omväxlande i huvudsak under anslutningsde- larna 19, 20 eller uppsamlas vid den andra interfolieringsmetoden samtidigt under delarna 19 och 20. I övrigt har hänvisningsbeteckningarna samma betydelse som i den föregående utföringsformen.

Uppfinningen är ej begränsad till de beskrivna utföringsformerna utan oli- ka modifikationer är möjliga för fackmannen inom uppfinningens ram. Således kan t ex på ett sätt som är analogt med figurerna 6-8 elektroder 17, 18 vara utför- da såsom långa remsor med öppningar utan att fullt definiera fönstren, t ex om avståndet mellan elektroderna 15, 16 är mindre än dimensionerna hos öppningarna i transportanordningen. Dessutom kan andra typer av transportanordningar använ- das, såsom t ex "bucket brigade"-register eller yt-ccdzer.

N

Claims (3)

1. ' _ 460 001' Patentkrav. l. Bildsensoranordning i CCD-utförande för att uppsamla en strâlningsbild och omvandla den till en elektrisk signal, vilken anordning innefattar en halvledarkropp i vilken vid en huvudyta ett flertal inbördes separerade i huvudsak parallella laddningstransportkanaler är definierade, vilken halv- ledarkropp vid samma huvudyta är försedd med ett isolerande skikt på vilket ett elektrodsystem är anordnat för laddningstransporten, vilket sträcker I sig över laddningstransportkanalerna och för uppsamling av strâlningsbilden är försett med fönster, varigenom strålningen och i synnerhet kortvâgigt ljus kan tränga genom fönstren in i halvledarkroppen och alstra laddningsbära- re däri, vilket elektrodsystem innefattar tre grupper av elektroder anordnade i tre på varandra följande skikt av ledande material, varvid en första grupp av elektroder bildad i det första ledande skiktet innefattar ett flertal spår som sträcker sig i en riktning tvärs mot laddningstransportkanalerna och definierar ett flertal gap mellan den första gruppens elektroder,. k ä n n e t e c k n a d av att elektrodsystemet innefattar en andra grupp elektroder bildade i ett andra ledande skikt och innefattande spârformade basdelar anordnade över växelvisa elektroder av den första gruppen och inne- fattande utstickande delar som sträcker sig från basdelarna ovanför ladd- ningsöverföringskanalerna och täcker växelvisa gap mellan elektroderna hos den första gruppen, varvid elektrodsystemet innefattar en tredje grupp av elektroder bildade i ett tredje ledande skikt och innefattande spârformade basdelar anordnade ovanför växelvisa elektroder hos den första gruppen och innefattande utstickande delar som sträcker sig från basdelarna över växelvisa gap mellan elektroderna hos den första gruppen som inte är täckt av elektro- derna hos den andra gruppen, och varvid de utstickande delarna hos den andra och tredje gruppen av elektroder lämnar nämnda fönster fria mellan laddnings- transportkanalerna.

2. Bildsensoranordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att elektroderna i den andra och i den tredje gruppen är kamformade i plan- ny varvid tänderna i kammen sträcker sig över laddningstransportkanalerna.

3. Bildsensoranordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att de strålningskänsliga fönstren utgöres av öppningar i elektroderna i den andra och den tredje gruppen. 460 001 10 5- Bi1dSe“$°ra“°Vd“ifl9 ßñïigt något av föregående patentkrav k ä n n e- _ t e c k n a d av att eïektrodsystemet innefattar en elektrudstruktur för fyr-fasladdningstransport. 6. Biïdsensoranordning enïígt något av patentkraven 1-4, k ä n n e t e c k - n a d av att elektroderna t den första gruppen är omväxïande eïektriskt kopp- lade tilï en eïektrod i den andra och den tredje gruppen på sådant sätt att åtminstone i driftstillstândet koppïíngen introducerar en spänningsski11nad meflan eïektroderna i den första gruppen och eïektroderna i den andra respekti- ve den tredje gruppen. _ 7. _Bi1dsensoranordning en1ígt patentkravet 6, k ä n n e t e c k n a d av att eïektrodsystemet innefattar en e1ektrodstruktur för två-fasïaddníngstransport. 8. Bíïdsensoranordning enligt något av föregående patentkrav,, K ä n n e - t e c k n-a d av att anordningen vidare är försedd med en styrkrets och med åtminstone en krets för ytterïigare behandïing av den eïektríska signaïen. 9. Biïdsensoranordníng enïigt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d av att styrkretsen och kretsen för ytterïigare behandïíng av den eïektriska sígnaïen är åtminstone deïvis reaïíserade i haïvïedarkroppen.