DE19720436A1 - Ladungsgekoppelter Bildwandler - Google Patents

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.

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).