DE19629898A1 - Festkörper-Bildsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildsensor.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 ein herkömmlicher Festkörper-Bildsensor erläutert. Dabei veran­ schaulicht Fig. 1 das Layout desselben, Fig. 2a veranschau­ licht einen Schnitt durch denselben entlang der Linie A-A′ in Fig. 1 und Fig. 2b veranschaulicht das Potentialprofil entlang dieser Linie.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt der herkömmliche Festkörper-Bildsensor eine Vielzahl von Photodioden PD, die matrixförmig unter der Oberfläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet sind, um jeweils ein Lichtsignal in ein elek­ trisches Videosignal umzusetzen, eine Vielzahl vertikaler ladungsgekoppelter Bauelemente (VCCDs) 1, die jeweils zwi­ schen den Photodioden PD angeordnet sind, um von diesen er­ zeugte Videosignalladungen mittels einer Mehrzahl von über den VCCDs 1 angeordneten Übertragungstoren VG₁-VG₄ nach außen zu übertragen, und ein horizontales ladungsgekoppel­ tes Bauelement (HCCD) 2, das an den Ausgangsseiten der VCCDs 1 ausgebildet ist, um die Videosignalladungen von diesen zur Ausgangsseite des HCCD 2 zu übertragen.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, existiert eine Vielzahl von Sätzen von vier Vertikalübertragungstoren VG₁, VG₂, VG₃ und VG₄, die abwechselnd über den VCCDs 1 ausgebildet sind und deren Potentialpegel aufeinanderfolgend geändert werden, um die Videosignalladungen von den Photodioden PD auf ein 4-phasiges Taktsignal hin zur Ausgangsseite des je­ weiligen VCCD 1 zu übertragen. An diese vertikalen Übertra­ gungstore VG₁-VG₄ werden Vertikaltaktsignale VΦ₁, VΦ₂, VΦ₃ bzw. VΦ₄ angelegt. Außerdem existiert eine Vielzahl von Sät­ zen zweier Horizontalübertragungstore HG₁ und HG₂, die ab­ wechselnd über dem HCCD 2 ausgebildet sind und deren Poten­ tialpegel aufeinanderfolgend geändert werden, um die Signal­ ladungen von den VCCDs 1 entsprechend einem 2-phasigen Takt zur Ausgangsseite des HCCD 2 zu übertragen. An die Tore HG₁ und HG₂ werden Taktsignale HΦ₁ bzw. HΦ₂ angelegt.

Das HCCD 2 und die VCCDs 1 sind in zwei p-Wannen 4 bzw. 5 ausgebildet, deren Potentialniveaus verschieden sind. Da die VCCDs 1 und das HCCD 2 unter der Oberfläche des Substrats 3 ausgebildet sind, werden sie manchmal als BCCDs (vergrabene ladungsgekoppelte Bauelemente) bezeichnet.

Gemäß Fig. 1 bilden die zwei Wannen 4 und 5 unter einem Teil des letzten Vertikalübertragungstors VG₄ und einem Teil je­ des der Horizontalübertragungstore HG₁ und HG₂ aufgrund der Diffusion bei ihren Herstellprozessen einen Überlappungsbe­ reich 6.

Der genannte Schnitt in Fig. 2a zeigt die unter der Oberflä­ che des n-Substrats 3 ausgebildeten p-Wannen 4 und 5, die unter der Oberfläche der p-Wanne 4 ausgebildeten n-VCCD-Be­ reiche und den unter der Oberfläche der p-Wanne 5 ausgebil­ deten n-HCCD-Bereich 2. In diesem Fall bilden, wie bereits erläutert, die Wannen 4 und 5 in unvermeidlicher Weise nach dem Ansteuern des Sensors aufgrund der Diffusion bei ihren Herstellprozessen den in Fig. 2a dargestellten Überlappungs­ bereich 6. Eines der bemerkenswerten Merkmale in Fig. 2a ist es, daß der Überlappungsbereich 6 unter einem Teil des letz­ ten Vertikalübertragungstors VG₄ und einem Teil jedes der Horizontalübertragungstore HG₁ und HG₂ ausgebildet ist.

Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, bewegt sich beim Festkör­ per-Bildsensor wie dem vorstehend angegebenen Aufbau jede der in den Photodioden PD erzeugten Bildsignalladungen durch das zugehörige VCCD 1, dessen Potentialniveau aufeinander­ folgend durch die Vertikalübertragungs-Taktsignale VΦ₁, VΦ₂, VΦ₃ und VΦ₄ aufeinanderfolgend geändert wird, zum HCCD 2 hin.

Die über die VCCDs 1 übertragenen Bildsignalladungen werden über den HCCD 2, dessen Potentialniveau durch die Horizon­ taltaktsignale HΦ₁ und HΦ₂ aufeinanderfolgend geändert wird, an den Meßverstärker 7 übertragen, der die Bildsignalladun­ gen mit vorgegebener Verstärkung verstärkt.

Wie es im genannten Potentialprofildiagramm der Fig. 2b dargestellt ist, besteht beim herkömmlichen Festkörper-Bild­ sensor jedoch, da die p-Konzentration im durch die Wanne 4 für die VCCDs 1 und die Wanne 5 für das HCCD 2 gebildeten Überlappungsbereich 6 erhöht ist, das Problem eines verrin­ gerten Ladungsübertragungs-Wirkungsgrads (CTE = Charge Transfer Efficiency) aufgrund einer Potentialbarriere 8, wie sie im Zentrum des Überlappungsbereichs 6 ausgebildet ist. D.h., daß, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, unter Umständen ein Teil der Bildsignalladungen wegen der Potentialbarriere 8 nicht an den HCCD-Bereich 2 übertragen wird sondern im Be­ reich zwischen den VCCD-Bereichen 1 und dem HCCD-Bereich 2 verbleibt.

Demgemäß besteht beim Aufbau eines herkömmlichen Festkörper- Bildsensors die Tendenz, Fehler, wie schwarze Zeilen auf einem Anzeigeschirm, zu erzeugen, die von ineffizienter Übertragung von Bildsignalladungen herrühren.

Wenn nicht der Fall von Fig. 2b mit Potentialbarriere 8 vor­ liegt, bei dem der Überlappungsbereich 6 höhere p-Konzen­ tration aufweist, kann der Fall vorliegen, daß die n-Konzen­ trationen in den VCCD-Bereichen 1 und dem HCCD-Bereich 2 we­ sentlich höher als die p-Konzentration im Überlappungsbe­ reich 6 sind, wodurch der Überlappungsbereich 6 n-leitend wird, was bewirkt, daß im Zentrum des Überlappungsbereichs 6 ein Potentialtal anstelle einer Potentialbarriere ausgebil­ det ist. Auch dies verursacht einen Abfall des Ladungsüber­ tragungs-Wirkungsgrads.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörper- Bildsensor mit verbessertem Ladungsübertragungs-Wirkungsgrad zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch den Festkörper-Bildsensor gemäß dem beigefügten Anspruch gelöst.

Bei diesem Sensor ist nur unter den Horizontalübertragungs­ toren im HCCD ein Überlappungsbereich aus der ersten Wanne zum Ausbilden der VCCDs und der zweiten Wanne zum Ausbilden des HCCD vorhanden. Dadurch können Ladungen verlustfrei übertragen werden, so daß Fehler wie das Auftreten schwarzer Zeilen in einer Anzeige verhindert werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 veranschaulicht das Layout eines herkömmlichen Fest­ körper-Bildsensors.

Fig. 2a veranschaulicht einen Schnitt durch den Festkörper- Bildsensor von Fig. 1 entlang der dortigen Linie A-A′.

Fig. 2b veranschaulicht das Potentialprofil entlang des Schnitts von Fig. 2a.

Fig. 3 erläutert den Fluß von Bildsignalladungen bei einem herkömmlichen Festkörper-Bildsensor.

Fig. 4 veranschaulicht das Layout eines erfindungsgemäßen Festkörper-Bildsensors.

Fig. 5a veranschaulicht einen Schnitt durch den Festkörper- Bildsensor von Fig. 3 entlang der dortigen Linie B-B′.

Fig. 5b veranschaulicht das Potentialprofil entlang des Schnitts in Fig. 5a.

Fig. 6 erläutert den Fluß von Bildsignalladungen in einem erfindungsgemäßen Festkörper-Bildsensor.

Wie es in der Layoutzeichnung von Fig. 4 dargestellt ist, umfaßt ein erfindungsgemäßer Festkörper-Bildsensor eine Vielzahl von Photodioden PD, die matrixförmig unter der Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet sind, um ein Lichtsignal in eine elektrische Bildsignalwandladung umzuwandeln, eine Vielzahl vertikaler ladungsgekoppelter Bauelemente (VCCDs) 11, die zwischen den Photodioden PD an­ geordnet sind, um die in diesen erzeugten Bildsignalladungen mittels einer Mehrzahl von über den VCCDs 11 ausgebildeten Vertikalübertragungstoren VG₅-VG₈ zur Ausgangsseite der VCCDs 11 zu übertragen, und ein horizontales ladungsgekop­ peltes Bauelement (HCCD) 12, das an den Ausgangsseiten der VCCDs 11 ausgebildet ist, um die Bildsignalladungen zur Ausgangsseite des HCCD 12 zu übertragen.

Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, verfügt der Festkörper- Bildsensor auch über eine Vielzahl von Sätzen aus vier Ver­ tikalübertragungstoren VG₅, VG₆, VG₇ und VG₈, die abwech­ selnd über den VCCDs 11 ausgebildet sind, um entsprechend einem 4-phasigen Taktsignal aufeinanderfolgend abwechselnde Potentialniveaus an sie anzulegen, um die Bildsignalladungen aus den Photodioden PD zu den Ausgangsseiten der VCCDs 11 zu übertragen. An die Tore VG₅, VG₆, VG₇ und VG₈ werden Ver­ tikaltaktsignale VΦ₅, VΦ₆, VΦ₇ bzw. VΦ₈ angelegt.

Der Festkörper-Bildwandler verfügt auch über eine Vielzahl von Sätzen aus zwei Horizontalübertragungstoren HG₃ und HG₄, die abwechselnd auf dem HCCD 12 ausgebildet sind, um ent­ sprechend einem 2-phasigen Taktsignal aufeinanderfolgend unterschiedliche Potentialniveaus an diese anzulegen, um die Bildsignalladungen von den VCCDs 11 zur Ausgangsseite des HCCD 12 zu übertragen, wobei an jedes der Tore HG₃ und HG₄ ein Horizontaltaktsignal HΦ₃ bzw. HΦ₄ angelegt wird. Das HCCD 12 und die VCCDs 11 sind in p-Wannen 13 und 14 mit von­ einander verschiedenen Potentialniveaus ausgebildet.

Wie ersichtlich, ist insoweit der erfindungsgemäße Festkör­ per-Bildsensor mit dem herkömmlichen identisch. Nachfolgend wird der Unterschied zwischen den beiden erläutert.

Gemäß Fig. 5 bilden die zwei Wannen 14 und 15 nach einem Eintreibprozeß für einen Diffusionsvorgang während eines Herstellprozesses einen Überlappungsbereich 16. Abweichend vom Fall beim herkömmlichen Festkörper-Bildsensor ist er­ kennbar, daß beim erfindungsgemäßen Festkörper-Bildsensor ein Überlappungsbereich 16 nur unter den Horizontalüber­ tragungstoren HG₃ und HG₄ ausgebildet ist.

Gemäß der Schnittansicht von Fig. 5a weist der erfindungsge­ mäße Festkörper-Bildsensor eine n-Wanne 14 und eine p-Wanne 15 auf, die an der Oberfläche eines n-Substrats 13 ausgebil­ det sind, wobei an der Oberfläche der Wanne 14 eine Vielzahl von n-VCCDs 11 ausgebildet ist und ein n-HCCD 12 in der Wan­ ne 15 ausgebildet ist.

Wie es bereits zum Stand der Technik erläutert wurde, bilden die Wannen 14 und 15 nach dem Eintreibprozeß zur Diffusion, wie während der Sensorherstellung ausgeführt, in unvermeid­ licher Weise den Überlappungsbereich 16. Wie es jedoch be­ reits in Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert wurde, existiert beim erfindungsgemäßen Festkörper-Bildsensor, abweichend vom Fall beim herkömmlichen, dieser Überlappungsbereich nur un­ ter den Horizontalübertragungstoren HG₃ und HG₄, d. h. nur im HCCD 12.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 6, die den Fluß von Bildsignalladungen zeigt, die Funktion des erfindungsge­ mäßen Festkörper-Bildsensors mit dem oben beschriebenen Aufbau erläutert.

Die in den Photodioden PD erzeugten Bildsignalladungen wer­ den über die VCCDs 11, deren Potentialniveaus durch die an die Vertikalübertragungstoren VG₅-VG₈ jeweils angelegten Vertikaltaktsignale VΦ₅-VΦ₈ aufeinanderfolgend geändert werden, zum HCCD 12 übertragen.

Die über die VCCDs übertragenen Bitsignalladungen werden über den HCCD 12, dessen Potentialniveau durch die Horizon­ talübertragungs-Taktsignale HΦ₃ und HΦ₄ abwechselnd geändert werden, an den Meßverstärker 17 übertragen, der diese Bild­ signalladungen erfaßt und mit vorgegebener Verstärkung ver­ stärkt.

In diesem Fall ist, wie bereits zum Stand der Technik erläu­ tert, eine Potentialbarriere 18 in der Mitte des Überlap­ pungsbereichs 16 ausgebildet, da die p-Konzentration im Überlappungsbereich 16 der Wannen 14 und 15 höher als in den Wannen selbst ist.

Jedoch verringert, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, da die Potentialbarriere 18 nur unter den Horizontalübertragungsto­ ren HG₃ und HG₄ vorliegt, abweichend von der in Fig. 2b dargestellten Potentialbarriere 8 beim herkömmlichen Fest­ körper-Bildsensor, die Potentialbarriere 18 den Ladungsüber­ tragungs-Wirkungsgrad des Festkörper-Bildsensors nicht. Zwar werden durch die innerhalb des HCCD 12 ausgebildete Poten­ tialbarriere 18 Bildsignalladungen aufgeteilt, jedoch tref­ fen sie sich wieder an der Ausgangsseite des HCCD 12 und werden gemeinsam an den Meßverstärker 17 geliefert. Dieser Effekt wird erzielt, weil die aufrund des Überlappungsbe­ reichs 16 gebildete Potentialbarriere 18 unter den Horizon­ tal-Ladungsübertragungstoren HG₃ und HG₄ innerhalb des HCCD 12 liegt.

Claims (2)

1. Festkörper-Bildsensor mit:

   • - einem Halbleitersubstrat (13) von erstem Leitungstyp;
   • - einer Vielzahl von Photodioden (PD), die auf einer Ober­ fläche des Substrats ausgebildet sind;
   • - einer ersten Wanne (14) von zweitem Leitungstyp, die unter der Oberfläche des Substrats ausgebildet ist;
   • - einer zweiten Wanne (15) vom zweiten Leitungstyp, die un­ ter der Oberfläche des Substrats so ausgebildet ist, daß ein Teil derselben mit der ersten Wanne einen Überlappungsbe­ reich (16) bildet;
   • - einer Vielzahl vertikaler ladungsgekopplelter Bauelemente (VCCDs, 11) vom ersten Leitungstyp, die jeweils unter der Oberfläche in einem Bereich der ersten Wanne ausgebildet sind, um in den Photodioden erzeugte Signalladungen auf externe Vertikalübertragungs-Taktsignale hin zur Ausgangs­ seite der VCCDs zu übertragen;
   • - Vertikalübertragungstoren (VG₅-VG₈), die über der Viel­ zahl von VCCDs ausgebildet sind, um die externen Vertikal­ übertragungs-Taktsignale zuzuführen;
   • - einem horizontalen ladungsgekoppelten Bauelement (HCCD, 12) vom ersten Leitungstyp, das in einem Bereich der zweiten Wanne ausgebildet ist, um die von den VCCDs übertragenen Bildsignalladungen entsprechend externen Horizontalübertra­ gungs-Taktsignalen zu seiner Ausgangsseite zu übertragen; und
   • - einer Vielzahl von Horizontalübertragungstoren, die sich über dem HCCD erstreckend ausgebildet sind, um die Horizon­ talübertragungs-Taktsignale anzulegen;
2. dadurch gekennzeichnet, daß der Überlappungsbereich (18) zwischen der ersten Wanne und der zweiten Wanne nur unter den Horizontalübertragungstoren innerhalb des horizontalen ladungsgekoppelten Bauelements ausgebildet ist.