DE19720436A1 - Ladungsgekoppelter Bildwandler - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine ladungsgekoppelte Ein
richtung (charge-coupled device bzw. CCD) und insbesondere auf einen
CCD-Bildwandler, dessen Ladungsübertragungswirkungsgrad dadurch
verbessert wird, daß Potentialschwankungen in einem Ladungsübertra
gungsbereich minimiert werden, der durch eine Kanalstoppschicht (CST-Schicht)
definiert wird.
Im allgemeinen enthält eine ladungsgekoppelte Einrichtung CCD eine
Mehrzahl von photoelektrischen Umwandlungsbereichen zur Umwand
lung eines Lichtbilds in ein elektrisches Signal, eine Mehrzahl von vertika
len Ladungskopplungseinrichtungs-(VCCD-)Bereichen zur Übertragung
der vom photoelektrischen Umwandlungsbereich erzeugten Bildladung in
einer vertikalen Richtung, einen horizontalen Ladungskopplungseinrich
tungs-(HCCD-)Bereich zur Übertragung der durch den VCCD-Bereich ver
tikal übertragenen Bildladung in einer horizontalen Richtung, und einen
Leseverstärker zum Auslesen der horizontal durch den HCCD-Bereich
übertragenen Bildladung sowie zur Weiterleitung der ausgelesenen Bild
ladung zu einer externen, peripheren Schaltung.
Zwischen jedem photoelektrischen Umwandlungsbereich und jedem La
dungsübertragungsbereich befindet sich eine Kanalstoppschicht (CST-Schicht),
um zu verhindern, daß Bildladung in einen benachbarten Pixel
bzw. Kanal hineinströmt. Die CST-Schicht wird dadurch hergestellt, daß
Ionen mit hoher Verunreinigungskonzentration und einem Leitungstyp
implantiert werden, der entgegengesetzt dem des Substrats ist.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen der
Aufbau einer konventionellen CCD-Bildwandlereinrichtung näher erläu
tert.
Die Fig. 1 zeigt ein Layout einer konventionellen CCD-Abbildungsein
richtung. Dagegen zeigen die Fig. 2a und 2b vertikale Potentialprofile
der CCD-Bildwandlereinrichtung von Fig. 1. Die Fig. 3 zeigt ein hori
zontales Potentialprofil der CCD-Bildwandlereinrichtung nach Fig. 1.
Gemäß der Fig. 1 enthält die konventionelle CCD-Bildwandlereinrich
tung eine Mehrzahl von Photodiodenbereichen 1, die matrixförmig ange
ordnet sind und dazu dienen, ein in Form von Lichtstrahlen auftreffendes
Bild in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Die konventionelle CCD-Ab
bildungseinrichtung nach Fig. 1 enthält ferner eine Mehrzahl von verti
kalen Ladungskopplungseinrichtung-(VCCD-)Bereichen 2, die in Verti
kalrichtung zwischen den Photodiodenbereichen 1 verlaufen und zur
Übertragung der von den Photodiodenbereichen 1 erzeugten Bildladung in
einer vertikalen Richtung dienen, sowie Kanalstoppschichten 3 jeweils
zwischen jedem Photodiodenbereich 1 und jedem VCCD-Bereich 2, um zu
verhindern, daß die erzeugte Signalladung in einen benachbarten Pixel
hinüberfließt.
Die Photodiodenbereiche 1, die, wie bereits erwähnt, regulär bzw. in Ma
trixform angeordnet sind, erzeugen jeweils eine Signalladung in Überein
stimmung mit der Wellenlänge und Intensität des auftreffenden Lichts.
Diese Signalladung wird zum VCCD-Bereich 2 übertragen und dann verti
kal in einer Richtung (y-Richtung in Fig. 1) transportiert.
Nachfolgend werden die Potentialprofile der konventionellen CCD-Bild
wandlereinrichtung näher erläutert.
Die Kanalstoppschicht 3 ist jeweils so ausgebildet, daß sie einen Photodio
denbereich 1 in einem regulären Intervall "a" umgibt. Mit anderen Worten
weist die Kanalstoppschicht 3 eine Breite "a" auf. Dabei sollen Variation
und Einfluß der Kanalstoppschicht 3 auf das Potentialprofil minimiert
sein, so daß eine gleichmäßige bzw. glatte Ladungsübertragung möglich
ist.
Unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Einrichtung ist es möglich,
die Breite der Kanalstoppschicht 3 frei zu wählen, wobei die Breite insge
samt gleichbleiben sollte.
In den Bereichen "α" des Layouts von Fig. 1 weist die Kanalstoppschicht 3
allerdings eine T-förmige Struktur auf, so daß sie sich hier in Horizontal
richtung über einen Bereich erstreckt, der größer ist als "a". Dies zeigt
auch ein Vergleich der Fig. 2a und 2b. Mit anderen Worten ist die
Ionenimplantationskonzentration im Bereich "α" größer als in der Kanal
stoppschicht 3 außerhalb des Bereichs "α".
Selbst für den Fall, daß der Bereich zur Bildung der Kanalstoppschicht 3
gleichförmig ist, ergeben sich jedoch unterschiedliche Potentialprofile in
den Schnittbereichen der Kanalstoppschicht 3, so daß gilt: d1 < d2.
Da sich im Bereich "α"der Kanalstoppschicht 3 gegenüber ihren anderen
Bereichen eine erhöhte Ionenimplantationskonzentration einstellt, wer
den der "n"-Bereich des Photodiodenbereichs 1 und der "n"-Bereich des
VCCD-Bereichs 2 im Ergebnis schmäler.
Das horizontale Potentialprofil der CCD-Bildwandlereinrichtung nach
Fig. 1 ist in Fig. 3 gezeigt.
Der infolge der Kanalstoppschicht erzeugte Unterschied im Potential ist
bei Kamerasystemen im allgemeinen von nicht so großer Bedeutung. Bei
HDTV-Systemen der nächsten Fernsehgerätegeneration ist die Anzahl der
Pixel (etwa 200 Myriad) außerordentlich erhöht, so daß ein verbesserter
Ladungsübertragungsgrad wünschenswert wäre.
Bei der konventionellen CCD-Bildwandlereinrichtung treten also folgende
Probleme auf:
Wie die Fig. 3 erkennen läßt, wird infolge des Einflusses der Kanalstopp schicht 3 die Potentialverteilung des VCCD-Bereichs im Gebiet "α" ver schmälert, während sie sich außerhalb des Gebiets "α" wieder verbreitert.
Wie die Fig. 3 erkennen läßt, wird infolge des Einflusses der Kanalstopp schicht 3 die Potentialverteilung des VCCD-Bereichs im Gebiet "α" ver schmälert, während sie sich außerhalb des Gebiets "α" wieder verbreitert.
Die Potentialverteilung im VCCD-Bereich ist somit nicht gleichförmig, was
dazu führt, daß bei der Übertragung von Signalladungen der Ladungs
übertragungswirkungsgrad verringert ist.
Der "p" -Bereich der Kanalstoppschicht 3 erstreckt sich darüber hinaus bis
in den "n"-Bereich des Photodiodenbereichs und den "n"-Bereichs des
VCCD-Bereichs hinein, wodurch sich die wirksamen Flächen des gesam
ten Lichtempfangsbereichs und des Übertragungskanalbereichs verrin
gern. Dies ist insbesondere von Nachteil, wenn durch Miniaturisierung ei
ne hohe Integrationsdichte auf einem Chip erzielt werden soll. Werden die
einzelnen Baueinheiten bei erhöhter Integrationsdichte kleiner, so spielt
die Ungleichmäßigkeit der Potentialverteilung im Übertragungskanal eine
wesentliche Rolle bei der Verschlechterung der Geräteeigenschaften.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die o. g. Probleme zu überwin
den und eine CCD-Bildwandlereinrichtung zu schaffen, bei der eine durch
die CST-Schicht hervorgerufene Potentialschwankung im peripheren Be
reich minimiert ist, um auf diese Weise den Ladungsübertragungswir
kungsgrad zu verbessern.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteil
hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent
nehmen.
Eine erfindungsgemäße CCD-Bildwandlereinrichtung enthält eine Mehr
zahl von Photodetektoren, die regulär in Zeilenrichtung und Spaltenrich
tung in der Oberfläche eines Substrats eines ersten Leitungstyps angeord
net sind. Dabei kann die Anordnung der Photodetektoren matrixförmig
sein. Eine Mehrzahl von Ladungsübertragungsbereichen eines zweiten
Leitungstyps befindet sich zwischen den Photodetektoren, und zwar in
Zeilenrichtung gesehen. Diese Ladungsübertragungsbereiche erstrecken
sich im wesentlichen in Spaltenrichtung. Ferner befinden sich Kanal
stoppschichten in der Oberfläche des Substrats, um die jeweiligen Photo
detektoren und die jeweiligen Ladungsübertragungsbereiche elektrisch
gegeneinander zu isolieren. CST-(Kanalstoppschicht-)Dotierungskonzen
trations-Verminderungsbereiche zur Verminderung der Dotierungskon
zentration der Kanalstoppschichten befinden sich wenigstens einmal in
jedem Teil der Kanalstoppschichten, an den zwei benachbarte Photodetek
toren angrenzen. Derartige CST-Dotierungskonzentrations-Verminde
rungsbereiche sind also bevorzugt in den Schnitt- bzw. Überlappungsbe
reichen der vertikal und horizontal verlaufenden Kanalstoppschichten
vorhanden, um dort die Dotierungskonzentration der Kanalstoppschich
ten zu verringern, und zwar so weit, daß Potentialschwankungen im we
sentlichen in den Ladungsübertragungsbereichen minimiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung im
einzelnen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Layout eines konventionellen CCD-Bildwandlers;
Fig. 2a und 2b vertikale Potentialprofile des CCD-Bildwandlers von
Fig. 1;
Fig. 3 ein horizontales Potentialprofile des CCD-Bildwandlers von Fig.
1;
Fig. 4 ein Layout eines CCD-Bildwandlers nach der vorliegenden Erfin
dung;
Fig. 5a und 5b vertikale Potentialprofile des CCD-Bildwandlers von
Fig. 4;
Fig. 6 ein horizontales Potentialprofil des CCD-Bildwandlers von Fig.
4; und
Fig. 7a und 7b Layouts einer CCD-Bildwandlereinrichtung nach ei
nem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Zunächst wird das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
CCD-Bildwandlers unter Bezugnahme auf die Fig. 4 erläutert.
Der CCD-Bildwandler nach der vorliegenden Erfindung enthält gemäß
Fig. 4 eine Mehrzahl von Photodiodenbereichen 41, die matrixförmig ange
ordnet sind und dazu dienen, ein optisches Bildsignal in ein elektrisches
Signal umzuwandeln, eine Mehrzahl von vertikalen Ladungskopplungs
einrichtungs-(VCCD-)Bereichen 42, die vertikal zwischen den Photodio
denbereichen 41 liegen und zur Übertragung der von den Photodiodenbe
reichen 41 erzeugten Bildladung in einer vertikalen Richtung dienen, so
wie eine Kanalstoppschicht 43 zwischen jedem der Photodiodenbereiche
41 und jedem der VCCD-Bereiche 42, um zu verhindern, daß durch die
Photodiodenbereiche 41 erzeugte Signalladungen in benachbarte Pixel
hinüberfließen und sich mischen.
Kern der Erfindung ist es, im Schnittbereich der vertikal und horizontal
verlaufenden Stoppschichten 43 die Dotierungskonzentration innerhalb
der Kanalstoppschicht 43 zu verringern. Im Schnittbereich "α" der Kanal
stoppschichten 43 wird also ein Bereich 44 vorgesehen, in den entweder
keine Ionen oder weniger Ionen oder Ionen vom entgegengesetzten Lei
tungstyp implantiert werden, um zu Kanalstoppschichten 43 zu kommen,
die zu einer gleichmäßigeren Potentialverteilung in den benachbarten Be
reichen führen.
Im Schnittbereich der Kanalstoppschichten 43, also dort, wo drei Bereiche
der beiden benachbarten Photodiodenbereiche und des VCCD-Bereichs
benachbart zueinander liegen, wird der Ionenimplantationsbereich zur
Bildung der Kanalstoppschicht um eine bestimmte Breite "b" (siehe Fig.
4) verringert. Der Schnittbereich "α" weist somit in Horizontalrichtung
ebenfalls eine verringerte Breite auf. In den außerhalb des Schnittbereichs
"α" liegenden Bereichen der Kanalstoppschicht 43 weist diese eine durch
gehende bzw. einheitliche Breite "a" auf, wie die Fig. 4 erkennen läßt, so
daß sich im Ergebnis eine gleichmäßigere Potentialverteilung einstellt.
Wie die Fig. 4 erkennen läßt, liegen die Bereiche, in die keine Ionen,
weniger Ionen oder Ionen vom entgegengesetzten Leitungstyp implantiert
wurden, an den Rändern des VCCD-Bereichs 42 bzw. benachbart zu
diesem. Mit anderen Worten liegen die Bereiche 44 an den jeweiligen
Außenkanten der Kanalstoppschichten 43, die in Vertikalrichtung verlau
fen und zwischen sich die Photodiodenbereiche einschließen. Dabei fluch
ten die Bereiche 44 jeweils mit einer horizontal liegenden Kanalstopp
schicht 43.
Im nachfolgenden wird genauer erläutert, wie die Kanalstoppschichten 43
mit den in ihnen enthaltenden Bereichen 44 gebildet werden.
Werden zur Herstellung der Kanalstoppschichten 43 Ionen implantiert, so
kann im Schnittbereich "α" der Kanalstoppschichten 43 ein Bereich 44
ausgeblendet werden, in den keine Ionen implantiert werden. Dies kann z. B.
durch Verwendung einer geeigneten Maske geschehen. Die Maske kann
diesen Bereich 44 vollständig abdecken, also keine Ionenimplantation zu
lassen, oder nur eine geringe Ionenimplantation zulassen.
Es ist auch möglich, in den Schnittbereich "α" in Fig. 4 der Kanalstopp
schichten 43 überhaupt keine oder insgesamt weniger Ionen zu implantie
ren. Dies ist ebenfalls durch Verwendung entsprechender Masken oder z. B.
auch durch Gradationsmasken möglich.
Möglich ist es auch, daß sich der Ionenimplantationsbereich zur Bildung
der Kanalstoppschicht 43 und der Ionenimplantationsbereich zur Bildung
des Photodiodenbereichs 41 teilweise überlappen (aber nur im Schnittbe
reich "α" der Kanalstoppschichten 43), um eine Gegendotierung zu erhal
ten, so daß sich auf diese Weise die Dotierungskonzentration im Schnitt
bereich "α" verringern läßt. Entsprechendes gilt auch bei einer Überlap
pung des Ionenimplantationsbereichs zur Bildung der Kanalstoppschicht
43 und des Ionenimplantationsbereichs zur Bildung des VCCD-Bereichs
42. Eine derartige Überlappung könnte ebenfalls im Schnittbereich "α"
durchgeführt werden, um dort die Ionendotierungskonzentration zu ver
ringern. Dabei ließen sich z. B. in den bereits vorhandenen Schnittbereich
"α" Ionen vom entgegengesetzten Leitungstyp implantieren, und zwar bei
der Herstellung des VCCD-Bereichs 42.
Wie bereits oben erwähnt, erzeugt die CCD-Bildwandlereinrichtung nach
der vorliegenden Erfindung eine Signalladung in Übereinstimmung mit
der Wellenlänge und der Intensität des auf den Photodiodenbereich 41
auftreffenden Lichts. Die Signalladung wird zum VCCD-Bereich 42 über
tragen und dann in einer vertikalen Richtung weitergeleitet.
Im nachfolgenden soll beschreiben werden, wie der Potentialzustand im
VCCD-Bereich 42 beim Ladungsübertragungsbetrieb aussieht. Hierzu
wird das Potentialprofil der CCD-Bildwandlereinrichtung im einzelnen an
gesehen.
Die Fig. 5a und 5b zeigen vertikale Potentialprofile des CCD-Bildwand
lers von Fig. 4, während die Fig. 6 das horizontale Potentialprofil des
CCD-Bildwandlers von Fig. 4 zeigt.
Wie die Fig. 5a und 5b erkennen lassen, sind bei der erfindungsgemä
ßen CCD-Bildwandlereinrichtung die Potentialprofile der Kanalstoppbe
reiche 43 dort, wo sie sich kreuzen und außerhalb dieser Kreuzungsberei
che, gleich. Die Potentialprofile für die vertikal verlaufenden Kanalstopp
schichten 43 weisen somit gemäß den Fig. 5a und 5b in den jeweiligen
Schnittbereichen C-C′ und D-D′ von Fig. 4 denselben Verlauf bzw. die
selbe Breite auf. Deswegen ergeben sich keine Einschnürungen für die
Photodiodenbereiche und die VCCD-Bereiche. Dies liegt daran, daß die
Verunreinigungsdotierungskonzentration zur Bildung der Kanalstopp
schichten 43 partiell geändert wird, um im CST-Dotierungskonzentra
tions-Reduktionsbereich 44 eine Verringerung der Dotierungskonzentra
tion zu erhalten, und zwar gegenüber dem Stand der Technik in demjeni
gen Teil, in dem ansonsten das Potentialprofil nicht gleichmäßig wäre, also
im Schnittbereich "α" zwischen den vertikalen und horizontalen Kanal
stoppschichten 43. Ein derartiger CST-Dotierungskonzentrations-Redu
zierungsbereich 44 kann im Schnittbereich "α" wenigstens einmal oder
aber auch mehrmals gebildet werden.
Die Fig. 6 zeigt, daß das Potentialprofil im VCCD-Bereich weniger un
gleichförmig ausgebildet ist als das entsprechende in Fig. 3.
Wie bereits oben beschrieben, ist es möglich, im Schnittbereich der Kanal
stoppschichten 43 die Ionenimplantation auszublenden, zumindest be
reichsweise, ohne die Breite des Schnittbereichs der Kanalstoppschicht zu
verändern, um auf diese Weise zu einer gleichmäßigeren Potentialvertei
lung zu kommen.
Eine CCD-Bildwandlereinrichtung nach einem weiteren Ausführungsbei
spiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
die Fig. 7a und 7b näher beschrieben. Hier sind dotierungsfreie Berei
che oder dotierungsarme Bereiche oder gegendotierte Bereiche im Innern
der Schnittbereiche "α" der Kanalstoppschichten 43 vorhanden, um dort
die Dotierungskonzentration der Kanalstoppschichten 43 zu verringern.
Zu Beginn des Herstellungsprozesses wird gemäß Fig. 7a ein Verunreini
gungsimplantationsbereich vom n-Typ zur Bildung eines Photodiodenbe
reichs 41 vergrößert. Wenn Ionen zur Bildung der Kanalstoppschicht 43
implantiert werden, wird ein bestimmter Bereich im Gebiet "α" ausgeblen
det, um auf diese Weise die Verunreinigungsdotierungskonzentration der
Kanalstoppschicht 43 zu verringern.
Entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7b bleibt der Verun
reinigungsimplantationsbereich zur Bildung des Photodiodenbereichs 41
sowie er ist. Dabei wird jetzt die Ionenimplantation zur Bildung der Kanal
stoppschicht 43 durchgeführt, jedoch nicht in dem vorbestimmten Be
reich 44 des Gebiets "α", wobei der Bereich 44 innerhalb des Gebiets "α"
liegen kann, oder am Rand des Gebiets "α". Auf diese Weise läßt sich dort
die Verunreinigungsdotierungskonzentration der Kanalstoppschicht 43
verringern.
Wie bereits oben beschrieben, wird bei der erfindungsgemäßen CCD-Ab
bildungseinrichtung ein CST-Dotierungskonzentrations-Reduzierungs
bereich gebildet, und zwar in den Schnittbereichen "α" der Kanalstopp
schichten, die horizontal und vertikal verlaufen, also dort, wo sich die Do
tierungskonzentration der Kanalstoppschichten sonst ansammeln bzw.
häufen würde. Auf diese Weise lassen sich Potentialschwankungen, die
durch die Kanalstoppschicht hervorgerufen werden, minimieren, wenn die
Kanalstoppschichten zur Unterteilung von Ladungsübertragungsbereich
und Lichtempfangsbereich eingebracht werden. Der Ladungsübertra
gungswirkungsgrad der CCD-Bildwandlereinrichtung läßt sich somit ver
größern, was zu einer besseren Empfindlichkeit der Einrichtung führt.
Claims (7)
1. CCD-Bildwandler mit:
- - einer Mehrzahl von Photodetektoren (41), die regulär in Zeilenrich tung und Spaltenrichtung auf der Oberfläche eines Substrats eines ersten Leitungstyps angeordnet sind;
- - einer Mehrzahl von Ladungsübertragungsbereichen (42) eines zwei ten Leitungstyps, die in Zeilenrichtung gesehen zwischen den Photodetek toren liegen;
- - einer Kanalstoppschicht (43) in der Oberfläche des Substrats, um die jeweiligen Photodetektoren (41) und die jeweiligen Ladungsübertragungs bereiche (42) elektrisch gegeneinander zu isolieren; und
- - wenigstens einem CST-(Kanalstoppschicht-)Dotierungskonzentra tions-Verminderungsbereich (44) zur Verringerung der Dotierungskon zentration der Kanalstoppschicht (43) wenigstens einmal in jedem Teil der Kanalstoppschicht (43), an den benachbarte zwei Photodetektoren (41) angrenzen.
2. CCD-Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
sich der CST-Dotierungskonzentrations-Verminderungsbereich (44) an
der Grenzfläche zwischen dem Ladungsübertragungsbereich (42) und der
Kanalstoppschicht (43) befindet, so daß sich in diesem Teil die Breite der
Kanalstoppschicht (43) verringert.
3. CCD-Bildwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verunreinigungen vom ersten Leitungstyp zur Bildung der Kanal
stoppschicht (43) und die Verunreinigungen vom zweiten Leitungstyp zur
Bildung des Ladungsübertragungsbereichs (42) jeweils in denselben Teil
implantiert werden, in welchem die Breite der Kanalstoppschicht (43) ver
ringert ist, derart, daß sich ein Potentialpegel ergibt, der niedriger ist als
der der angrenzenden Kanalstoppschicht.
4. CCD-Bildwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
nur Verunreinigungen des zweiten Leitungstyp zur Bildung des Ladungs
übertragungsbereichs in den CST-(Kanalstoppschicht-)Dotierungskon
zentrations-Verminderungsbereich (44) implantiert werden, so daß dieser
Teil als Ladungsübertragungsbereich dient.
5. CCD-Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der CST-(Kanalstoppschicht-)Dotierungskonzentrations-Verminde
rungsbereich in einem vorbestimmten Teil an der inneren Seite der Kanal
stoppschicht (43) ausgebildet wird.
6. CCD-Bildwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verunreinigungen vom zweiten Leitungstyp zur Bildung des Photode
tektors in den CST-(Kanalstoppschicht-)Dotierungskonzentrations-Ver
minderungsbereich (44) implantiert werden, so daß der Potentialpegel nie
driger ist als der der angrenzenden Kanalstoppschicht.
7. CCD-Bildwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
Verunreinigungen irgendeines Leitungstyps zur Bildung des Photo
detektors oder der Kanalstoppschicht nicht in den CST-(Kanalstopp
schicht-)Dotierungskonzentrations-Verminderungsbereich implantiert
werden, so daß sich ein Potentialpegel ergibt, der geringer ist als der der
angrenzenden Kanalstoppschicht (43).
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