DE19629898C2 - CCD-Festkörper-Bildsensor mit verbesserter Ladungsübertragung zum horizontalen CCD - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörper-Bildsensor gemäß der im Anspruch beschriebenen Art.

Aus der US 4,990,985 ist bereits ein Festkörper-Bildsensor mit einer Viel­ zahl von vertikalen CCD's bekannt, die Bildsignalladungen zu einem hori­ zontalen CCD übertragen. Die VCCD's und das HCCD sind in einer n-lei­ tenden Wanne ausgebildet, die in einem p-leitenden Substrat vorgesehen ist. Die n-leitende Wanne wird von einer n⁺-leitenden Barriere in einen VCCD-Bereich und in einen HCCD-Bereich unterteilt. Die an den dem HCCD zugewandten Enden der VCCD's vorgesehenen n⁺-leitenden Barrie­ ren liegen dabei unter einer oberen Elektrode des HCCD's, die die horizon­ talen Übertragungstaktimpulse empfängt.

Aus "IEEE Transactions on Electron Devices" Vol. ED-33 (1986), S. 458- 463 ist ein weiterer Festkörper-Bildsensor mit einer allgemeinen p-leiten­ den Wanne bekannt, die in einem n-leitenden Substrat vorgesehen ist. Der Bilderzeugungsbereich umfaßt VCCD's und ein horizontales Schieberegi­ ster, das aus einem vergrabenen CDD mit ionenimplantierten Barrieren zusammengesetzt ist. Diese CCD's sind in der gemeinsamen flachen ebe­ nen p-Wanne vorgesehen.

Aus der EP 0 185 343 B1 ist eine Ladungsübertragungsvorrichtung be­ kannt. Hier wird ein Festkörper-Bildsensor beschrieben mit einer Vielzahl von VCCD's, die Bildsignalladungen zu einem HCCD übertragen. Die VCCD's sind dabei in einer p-leitenden Wanne ausgebildet, während sich unter dem HCCD eine p^--leitende Wanne befindet. Der Grenzbereich zwi­ schen der p^--leitenden Wanne und der p-leitenden Wanne verläuft dabei am Rand des HCCD's. Zwischen diesen beiden Wannen besteht kein Über­ lappungsbereich.

Schließlich ist aus der EP 0 566 117 A1 ein Festkörper-Bildsensor be­ kannt, bei dem die Wannen des HCCD's und der VCCD's mit verschiedenen Verunreinigungskonzentrationsverteilungen ausgebildet sind. In einem Bereich überlappen sich die Wannen, wodurch eine erhöhte Verunreini­ gungskonzentration im Überlappungsbereich entsteht.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 ein weiterer her­ kömmlicher Festkörper-Bildsensor erläutert. Dabei veranschaulicht Fig. 1 das Layout desselben, Fig. 2a veranschaulicht einen Schnitt durch den­ selben entlang der Linie A-A' in Fig. 1, und Fig. 2b veranschaulicht das Po­ tentialprofil entlang dieser Linie.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt der herkömmliche Festkörper-Bild­ sensor eine Vielzahl von Photodioden PD, die matrixförmig unter der Ober­ fläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet sind, um jeweils ein Licht­ signal in ein elektrisches Videosignal umzusetzen, eine Vielzahl vertika­ ler ladungsgekoppelter Bauelemente (VCCDs) 1, die jeweils zwischen den Photodioden PD angeordnet sind, um von diesen erzeugte Videosignalla­ dungen mittels einer Mehrzahl von über den VCCDs 1 angeordneten Über­ tragungs-Gate-Elektroden VG₁-VG₄ nach außen zu übertragen, und ein horizontales ladungsgekoppeltes Bauelement (HCCD) 2, das an den Aus­ gangsseiten der VCCDs 1 ausgebildet ist, um die Videosignalladungen von diesen zur Ausgangseite des HCCD 2 zu übertragen.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, existiert eine Vielzahl von Sätzen von vier Vertikalübertragungs-Gate-Elektroden VG₁, VG₂, VG₃ und VG₄, die ab­ wechselnd über den VCCDs 1 ausgebildet sind und deren Potentialpegel aufeinanderfolgend geändert werden, um die Videosingnalladungen von den Photodioden PD auf ein 4-phasiges Taktsignal hin zur Ausgangsseite des jeweiligen VCCD 1 zu übertragen. An diese vertikalen Übertragungs- Gate Elektroden VG₁-VG₄ werden Vertikaltaktsignale Vϕ₁, Vϕ₂, Vϕ₃ bzw. Vϕ₄ angelegt. Außerdem existiert eine Vielzahl von Sätzen zweier Horizon­ talübertragungs-Gate-Elektroden HG₁ und HG₂, die abwechselnd über dem HCCD 2 ausgebildet sind und deren Potentialpegel aufeinanderfol­ gend geändert werden, um die Signalladungen von den VCCDs 1 entspre­ chend einem 2-phasigen Takt zur Ausgangsseite des HCCD 2 zu übertra­ gen. An die Gate-Elektroden 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 manch­ mal als BCCDs (vergrabene landungsgekoppelte Bauelemente) bezeich­ net.

Gemäß Fig. 1 bilden die zwei Wannen 4 und 5 unter einem Teil der letzten Vertikalübertragungs-Gate-Elektrode VG₄ und einem Teil jeder der Horizontalübertragungs-Gate-Elektroden HG₁ und HG₂ aufgrund der Diffusion bei ihren Herstellprozessen einen Überlappungsbereich 6.

Der genannte Schnitt in Fig. 2a zeigt die unter der Oberfläche des n-Sub­ strats 3 ausgebildeten p-Wannen 4 und 5, die unter der Oberfläche der p- Wanne 4 ausgebildeten n-VCCD-Bereiche, und den unter der Oberfläche der p-Wanne 5 ausgebildeten 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 Herstell­ prozessen den in Fig. 2a dargestellten Überlappungsbereich 6. Eines der bemerkenswerten Merkmale in Fig. 2a ist es, daß der Überlappungsbe­ reich 6 unter einem Teil der letzten Vertikalübertragungs-Gate-Elektode VG₄ und einem Teil jeder der Horizontalübertragungs-Gate-Elektroden HG₁ und HG₂ ausgebildet ist.

Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, bewegt sich beim Festkörper-Bildsensor ge­ mäß dem vorstehend angegebenen Aufbau jede der in den Photodioden PD erzeugten Bildsignalladungen durch das zugehörige VCCD 1, dessen Po­ tentialniveau aufeinanderfolgend durch die Vertikalübertragungs-Takt­ signale Vϕ₁, Vϕ₂, Vϕ₃ und Vϕ₄ geändert wird, zum HCCD 2 hin.

Die über die VCCDs 1 übertragenen Bildsignalladungen werden über den HCCD 2, dessen Potentialniveau durch die Horizontaltaktsignale Hϕ₁ und Hϕ₂ aufeinanderfolgend geändert wird, an den Meßverstärker 7 übertra­ gen, der die Bildsignalladungen mit vorgegebener Verstärkung verstärkt.

Wie im genannten Potentialprofildiagramm der Fig. 2b dargestellt, besteht beim herkömmlichen Festkörper-Bildsensor jedoch, da die p-Konzentra­ tion 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 aufgrund einer Potential­ barriere 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-Be­ reich 2 übertragen wird sondern im Bereich zwischen den VCCD-Berei­ chen 1 und dem HCCD Bereich 2 verbleibt.

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

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

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

Bei diesem Sensor ist nur unter den Horizontalübertragungs-Gate-Elek­ troden im HCCD ein Überlappungsbereich aus der ersten Wanne zum Aus­ bilden der VCCDs und der zweiten Wanne zum Ausbilden des HCCD vor­ handen. Dadurch können Ladungen verlustfrei übertragen werden, so daß Fehler wie das Auftreten schwarzer Zeilen in einer Anzeige verhindert wer­ den können. Eine horizontale Ladungsübertragung erfolgt zu beiden Sei­ ten der durch den Überlappungsbereich mit erhöhter Konzentration im HCCD erzeugten Potentialbarriere. Die Erfindung wird im folgenden an­ hand eines durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 veranschaulicht das Layout eines herkömmlichen Festkörper-Bild­ sensors.

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 her­ kömmlichen 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 erfindungsge­ mäßen Festkörper-Bildsensor.

Wie es in der Layoutzeichnung von Fig. 4 dargestellt ist, umfaßt ein erfin­ dungsgemäßer Festkörper-Bildsensor eine Vielzahl von Photodioden PD, die matrixförmig unter der Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeord­ net sind, um ein Lichtsignal in eine elektrische Bildsignalladung umzu­ wandeln, eine Vielzahl vertikaler ladungsgekoppelter Bauelemente (VCCDs) 11, die zwischen den Photodioden PD angeordnet sind, um die in diesen erzeugten Bildsignalladungen mittels einer Mehrzahl von über den VCCDs 11 ausgebildeten Vertikalübertragungs-Gate-Elektroden VG₅- VG₈ zur Ausgangsseite der VCCDs 11 zu übertragen, und ein horizontales ladungsgekoppeltes Bauelement (HCCD) 12, das an den Ausgangsseiten der VCCDs 11 ausgebildet ist, um die Bildsignalladungen zur Ausgangs­ seite des HCCD 12 zu übertragen.

Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, verfügt der Festkörper-Bildsensor auch über eine Vielzahl von Sätzen aus vier Vertikalübertragungs-Gate-Elek­ troden VG₅, VG₆, VG₇ und VG₈, die abwechselnd über den VCCDs 11 aus­ gebildet sind, um entsprechend einem 4-phasigen Taktsignal aufeinan­ derfolgend abwechselnde Potentialniveaus an sie anzulegen, um die Bild­ signalladungen aus den Photodioden PD zu den Ausgangsseiten der VCCDs 11 zu übertragen. An die Gate-Elektroden VG₅, VG₆, VG₇ und VG₈ werden Vertikaltaktsignale Vϕ₅, Vϕ₆, Vϕ₇ bzw. Vϕ₈ angelegt.

Der Festkörper-Bildwandler verfügt auch über eine Vielzahl von Sätzen aus zwei Horizontalübertragungs-Gate-Elektroden HG₃ und HG₄, die ab­ wechselnd auf dem HCCD 12 ausgebildet sind, um entsprechend einem 2- phasigen Taktsignal aufeinanderfolgend unterschiedliche Potentialnive­ aus an diese anzulegen, um die Bildsignalladungen von den VCCDs 11 zur Ausgangsseite des HCCD 12 zu übertragen, wobei an jede der Gate-Elek­ troden HG₃ und HG₄ ein Horizontaltaktsignal Hϕ₃ bzw. Hϕ₄ angelegt wird. Das HCCD 12 und die VCCDs 11 sind in p-Wannen 14 und 15 mit vonein­ ander verschiedenen Potentialniveaus ausgebildet.

Wie ersichtlich, ist insoweit der erfindungsgemäße Festkörper-Bildsensor mit dem unter den Fig. 1-3 beschriebenen identisch. Nachfolgend wird der Unterschied zwischen den beiden erläutert.

Gemäß Fig. 5 bilden die zwei Wannen 14 und 15 nach einem Eintreibpro­ zeß für einen Diffusionsvorgang während eines Herstellprozesses einen Überlappungsbereich 16. Abweichend vom Fall beim herkömmlichen Festkörper-Bildsensor ist erkennbar, daß beim erfindungsgemäßen Fest­ körper-Bildsensor ein Überlappungsbereich 16 nur unter den Horizontal­ übertragungs-Gate-Elektroden HG₃ und HG₄ ausgebildet ist.

Gemäß der Schnittansicht von Fig. 5a weist der erfindungsgemäße Fest­ körper-Bildsensor eine n-Wanne 14 und eine p-Wanne 15 auf, die an der Oberfläche eines n-Substrats 13 ausgebildet sind, wobei an der Oberflä­ che der Wanne 14 eine Vielzahl von n-VCCDs 11 ausgebildet ist und ein n- HCCD 12 in der Wanne 15 ausgebildet ist.

Wie bereits zum Stand der Technik erläutert wurde, bilden die Wannen 14 und 15 nach dem Eintreibprozeß zur Diffusion, wie während der Sensor­ herstellung ausgeführt, in unvermeidlicher Weise den Überlappungsbe­ reich 16. Wie jedoch bereits in Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert wurde, existiert beim erfindungsgemäßen Festkörper-Bildsensor, abweichend vom Fall beim herkömmlichen, dieser Überlappungsbereich nur unter den Horizontalübertragungs-Gate-Elektroden HG₃ und HG₄, d. h. nur im HCCD 12.

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

Die in den Photodioden PD erzeugten Bildsignalladungen werden über die VCCDs 11, deren Potentialniveaus durch die an die Vertikalübertragungs- Gate-Elektroden VG₅-VG₈ jeweils angelegten Vertikaltaktsignale Vϕ₅- Vϕ₈ aufeinanderfolgend geändert werden, zum HCCD 12 übertragen.

Die über die VCCDs übertragenen Bildsignalladungen werden über den HCCD 12, dessen Potentialniveau durch die Horizontalübertragungs- Taktsignale Hϕ₃ und Hϕ₄ abwechselnd geändert werden, an den Meßver­ stärker 17 übertragen, der diese Bildsignalladungen erfaßt und mit vorge­ gebener Verstärkung verstärkt.

In diesem Fall ist, wie bereits zum Stand der Technik erläutert, eine Poten­ tialbarriere 18 in der Mitte des Überlappungsbereichs 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 Horizontalübertragungs-Gate-Elektroden HG₃ und HG₄ vorliegt, abweichend von der in Fig. 2b dargestellten Potentialbarriere 8 beim herkömmlichen Festkörper-Bildsensor, die Potentialbarriere 18 den Ladungsübertragungs-Wirkungsgrad des Festkörper-Bildsensors nicht. Zwar werden durch die innerhalb des HCCD 12 ausgebildete Potentialbar­ riere 18 Bildsignalladungen aufgeteilt, jedoch treffen sie sich wieder an der Ausgansseite des HCCD 12 und werden gemeinsam an den Meßver­ stärker 17 geliefert. Dieser Effekt wird erzielt, weil die aufgrund des Über­ lappungbereichs 16 gebildete Potentialbarriere 18 unter den Horizontal- Ladungsübertragungs-Gate-Elektroden HG₃ und HG₄ innerhalb des HCCD 12 liegt.

Claims (1)

1. Festkörper-Bildsensor mit:

• - einem Halbleitersubstrat (13) vom ersten Leitungstyp;
• - einer Vielzahl von Photodioden (PD), die auf einer Oberfläche des Sub­ strats ausgebildet sind;
• - einer ersten Wanne (14) vom zweiten Leitungstyp, die unter der Oberflä­ che des Substrats ausgebildet ist;
• - einer zweiten Wanne (15) vom zweiten Leitungstyp, die unter der Oberflä­ che des Substrats so ausgebildet ist, daß ein Teil derselben mit der ersten Wanne (14) einen Überlappungsbereich (16) mit erhöhter Konzentration von Verunreinigungen vom zweiten Leitungstyp bildet;
• - einer Vielzahl vertikaler ladungsgekoppelter Bauelemente (VCCDs, 11) vom ersten Leitungstyp, die jeweils unter der Oberfläche in einem Bereich der ersten Wanne (14) ausgebildet sind, um in den Photodioden (PD)er­ zeugte Signalladungen auf externe Vertikalübertragungs-Taktsignale hin zur Ausgansseite der VCCDs (11) zu übertragen;
• - Vertikalübertragungs-Gate-Elektroden (VG5-VG8), die über der Vielzahl von VCCDs (11) ausgebildet sind, und denen externe Vertikalübertra­ gungs-Taktsignale zugeführt werden;
• - einem horizontalen ladungsgekoppelten Bauelement (HCCD, 12) vom er­ sten Leitungstyp, das in einem Bereich der zweiten Wanne (15) ausgebildet ist, um die von den VCCDs (11) übertragenen Bildsignalladungen entspre­ chend externen Horizontalübertragungs-Taktsignalen zu seiner Aus­ gangsseite zu übertragen; und
• - einer Vielzahl von Horizontalübertraguns-Gate-Elektroden, die über dem HCCD ausgebildet sind, um die Horizontalübertragungs-Taktsignale anzulegen;
• - wobei der Überlappungsbereich (16) mit erhöhter Konzentration von Ver­ unreinigungen vom zweiten Leitungstyp zwischen der ersten Wanne (14) und der Zweiten Wanne (15) nur unter den Horizontalübertragungs-Gate- Elektroden innerhalb des HCCDs (12) ausgebildet ist und eine horizontale Ladungsübertragung zu beiden Seiten der durch den Überlappungsbe­ reich (16) mit erhöhter Konzentration im HCCD erzeugten Potentialbarrie­ re erfolgt.