DE2553686B1 - Eindimensionaler optoelektronischer sensor - Google Patents

Description

• Dadurch kann die Packungsdichte um den Faktor 2 erhöht werden. Seine Herstellung erfordert gegenüber herkömmlichen Sensoren mit Überlaufkanal keine zusätzlichen Verfahrensschritte.
• Die Erfindung wird prinzipiell und anhand eines Ausführungsbeispieles in den Figuren näher erläutert.
• F i g. 1 zeigt den Prinzipaufbau eines erfindungsgemäßen Sensors.
• F i g. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors in einer Herstellungszwischenstufe.
• F i g. 3 zeigt in Draufsicht das vervollständigte Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 mit zwei Ausleseschieberegistern.
• In der Fig. list in Draufischt der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors dargestellt. Die Bildpunkte 11 bis 16 des Sensors bestehen aus MIS-Kondensatoren auf einer Oberfläche eines gemeinsamen dotierten Substrats 1. Jeder MIS-Kondensator ist so gebildet, daß auf dem Substrat eine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist, auf der eine Kondensatorelektrode aus elektrisch leitendem Material liegt. Die Gegenelektrode eines solchen MIS-Kondensators befindet sich unter dieser einen Kondensatorelektrode, an der zur elektrisch isolierenden Schicht angrenzenden Oberfläche des Substrats. Die Kondensatorelektroden auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht aller MIS-Kondensatoren sind durch eine elektrische Leitung 10 miteinander verbunden. An der Oberfläche des Substrats ist nun weiterhin ein mäanderförmig ausgebildeter Überlaufkanal 2 vorhanden, wobei in jeder Mäanderbucht nur ein Bildpunkt mit Abstand zu diesem angeordnet ist. In der F i g. 1 ist weiterhin entlang jeder Sensorlängsseite je ein Ausleseschieberegister 20 bzw. 30 mit den Speicherplätzen 23 bis 27 bzw. 32 bis 38 angeordnet.
• Jeder Bildpunkt des Sensors ist über die geöffnete Seite der ihn teilweise umgebenden Mäanderbucht in einen Speicherplatz des auf dieser Seite liegenden Ausleseschieberegisters auslesbar. In der F i g. 1 sind danach die Bildpunkte 12, 14 und 16 in die Speicherplätze 32, 34 und 36 des Ausleseschieberegisters 30 und die Bildpunkte 11, 13, 15 und 17 in die Speicherplätze 21, 23, 25 und 27 des Ausleseschieberegisters 20 auslesbar. Es ist also die in der erstgenannten Veröffentlichung angegebene vorteilhafte Anordnung gegeben, mittels der die Informationsdichte des Sensors verdopp#elt werden kann und es ist dennoch ein Schutz gegen Überbestrahlen vorhanden.
• F i g. 2 zeigt nun eine Herstellungszwischenstufe eines bevorzugten Ausführungsbeispieles einer Sensoranordnung nach Fig. 1. Auf der ebenen Oberfläche des dotierten Substrats 1, beispielsweise p-dotiertes Silizium, ist zunächst eine lichtdurchlässige, elektrisch isolierende Schicht 100, beispielsweise Siliziumdioxid, aufgebracht. Diese elektrisch isolierende Schicht weist Bereiche dünnerer und dickerer Schichtdicke auf, wodurch ein Oberflächenprofil mit Erhöhungen und Vertiefungen gegeben ist. Dieses Oberflächenprofil der elektrisch isolierenden Schicht ist nun so ausgebildet, daß die Bildpunkte 11 bis 17 durch Vertiefungen definiert sind. Der Überlaufkanal ist als eine, entgegengesetzt zum Substrat dotierte Leitung an der Substratoberfläche unter der elektrisch isolierenden Schicht ausgebildet und sein mäanderförmiger Verlauf ist in der Fig.2 durch den gestrichelt umrahmten punktierten Bereich angedeutet. Über den die Bildpunkte definierenden Vertiefungen ist auf der elektrisch isolierenden Schicht ein durchgehender Streifen 110 aus lichtdurchlässigem elektrisch leitendem Material, beispielsweise polykristallinem Silizium, aufgebracht. Die elektrisch isolierende Schicht weist entlang jeder Längsseite der Bildpunktreihe bzw. des Streifens 11 je eine kanalartige Vertiefung 200 bzw. 300 auf. Jede dieser Vertiefungen dient zur Definition des Übertragungskanals je einer ladungsgekoppelten Übertragungsvorrichtung, die als Ausleseschieberegister verwendet wird. Jeder Bildpunkt ist an der geöffneten Seite der Mäanderbucht durch eine kanalartige Vertiefung mit der auf dieser Seite liegenden Vertiefung, die den Übertragungskanal der ladungsgekoppelten Übertragungsvorrichtung definiert, verbunden. In der F i g. 2 sind diese kanalartigen Vertiefungen mit den Bezugszeichen 111 bis 171 versehen.
• In der F i g. 3 ist nun in Draufsicht das vervollständigte Ausführungsbeispiel nach Fig.2 mit den beiden ladungsgekoppelten Verschiebevorrichtungen als Ausleseschieberegister dargestellt. Diese beiden Ausleseschieberegister bestehen hier aus ladungsgekoppelten Verschiebevorrichtungen für Zwei- oder Vier-Phasen-Betrieb. Dazu sind über den Übertragungskanälen 200 bzw. 300 zunächst Elektroden 202 und 204 bzw. 302 und 304 aus Polysilizium auf der eltrisch isolierenden Schicht aufgebracht. Über den Zwischenräumen zwischen diesen Elektroden sind von diesen isoliert, weitere Elektroden 201 und 203 bzw. 301 und 303 vorhanden.
• Die mit gleichen Bezugszeichen versehenden Elektroden sind durch je eine zugehörige elektrische Taktleitung 2010 bis 2040 bzw. 3010 bis 3040 miteinander verbunden. Diese Taktleitungen sind als Streifen aus elektrisch leitendem Material ausgebildet. Wenn man sich auf den Zwei-Phasen-Betrieb beschränkt, genügen an und für sich zwei Taktleitungen pro Ausleseschieberegister. Es wären dann beispielsweise jeweils die Elektrodenpaare 201 und 202, 301 und 302, 203 und 204 und die Elektroden 303 und 304 an je eine Taktleitung anzuschließen. Es ist jedoch günstig, vier Taktleitungen pro Ausleseschieberegister zu verwenden, da man dann mehr Freiheit beim Betrieb hat. Die Ausleseschieberegister können dann nämlich je nach Bedarf im Zwei- oder Vier-Phasen-Betrieb betrieben werden. Jede der Elektroden 202 bzw. 302 überdeckt bis fast an den Streifen 110 heran je einen der Kanäle 111 bis 161. Über die Zwischenräume zwischen diesen Streifen 110 und diesen Elektroden 202 bzw. 302 ist von diesen Elektroden und den Streifen isoliert je eine streifenförmige Transferelektrode 320 bzw. 330 geführt.
• Der in Fig. 3 dargestellte Sensor wird vorzugsweise so hergestellt, daß an einer Oberfläche eines p-(n-)dotierten Siliziumsubstrats mit einer Dotierung von beispielsweise 1014-10'5cm-3 ein mäanderförmig verlaufender Streifen mittels lonenimplantation oder mittels Diffusion bis zu einer Dotierung von beispielsweise 1019 oder größer umdotiert wird. Als Implantationsstoffe können beispielsweise Phosphor-(Bor-)-Ionen als Diffusionsstoffe beispielsweise Phosphor-(Bor-)Atome verwendet werden. Auf dieser Oberfläche wird eine Siliziumdoxidschicht von einer Schichtdicke von z. B. 1 ,um erzeugt. Diese Schicht wird in den Gebieten 200, 300, 111 bis 171 und 11 bis 17 auf eine Schichtdicke von 0,1 ,um abgeätzt. Auf dieser Oberfläche werden die Elektroden 202 und 204 bzw. 302 und 304 mit den sie verbindenden Taktleitungen 2020 und 2040 bzw. 3020 und 3040 und der Streifen 110 aus Polysilizium von einer Schichtdicke von 3 Fm aufgebracht. Die entstandene Oberfläche wird wiederum oxidiert, so daß auf den Polysiliziumschichten eine Siliziumdioxidschicht von einer Schichtdicke von etwa 0,1,um entsteht. Auf den Polysiliziumelektroden werden an den Stellen Kontaktlöcher erzeugt, an denen die Anschlußkontakte für die Taktleitungen 2020, 2040, 3020 und 3040. für den Streifen 110 und für den Überlaufkanal sich befinden (in der Regel an einem Ende). Abschließend werden auf der Oberfläche die Elektroden 201 und 203 bzw. 301 und 303 mit den sie verbindenden Taktleitungen 2010, 2030, 3010 und 3030, die Transferelektroden 320 und 330 und die Anschlußkontakte durch Aufbringen einer Metallage, beispielsweise durch Bedampfen der Oberfläche mit Aluminium unter Verwendung von Bedampfungsmasken erzeugt.
• Typische Lateralabmessungen für den in Fig.3 dargestellten Sensor sind: Größe der Bildpunkte 10 x 10 um2, Abstand zwischen den Bildpunkten 8 um, Abstand des Überlaufkanals von einem Bildpunkt 2 um, Breite des Überlaufkanals 4 um, Breite der Übertragungskanäle der ladungsgekoppelten Übertragungsvorrichtungen 20 um, seitlicher Abstand eines solchen Übertragungskanals von einem Bildpunkt 24 um. Breite der Elektroden 201 und 203 9 um, Breite der Elektroden 202 und 204 13 um, Abstand zwischen den Elektroden 202 und 204 bzw. 302 und 304 5,um, Breite der Kanäle 111 bis 171 5 um. Breite der Taktleitungen 2010, 2030, 3010 und 3030 5 um. Breite der Transferelektroden 320 und 330 9 um. Breite des Polysiliziumstreifens 110 15 um. Zwischenraum zwischen Polysiliziumstreifen 110 und den Elektroden 202 bzw. 3025 um.
• Die in Fig.3 dargestellte Sensoranordnung wird beispielsweise so betrieben. daß an den Streifen 110 eine Spannung angelegt wird, so daß Potentialmulden unter den Bildpunkten 11 bis 17 für die durch Belichtung erzeugten Ladungsträger erzeugt werden. An die elektrischen Leitungen 2010 bis 2040 und 3010 bis 3040 werden entsprechend dem Zwei-Phasen-Betrieb oder dem Vier-Phasen-Betrieb Taktspannungen 01 und #2 oder Çs bis 04 angelegt. Der Übertragungskanal 10 wird durch Anlegen einer entsprechenden Spannung von seinen Majoritätsladungsträgern ausgeräumt, so daß für die vom Licht erzeugten Ladungsträger eine tiefe Potentialmulde in seinem Bereich vorhanden ist. die durch eine Potentialschwelle im Zwischenraum zwischen Bildpunkt und Kanal von der Potentialmulde im Bildpunktbereich selbst getrennt ist. Während der Bildaufnahmezeit werden die Transferelektroden 320 und 330 Spannungen angelegt, die eine Potentialschwel- le zwischen Bildpunktbereich und Übertragungskanal der ladungsgekoppelíen Übertragungsvorrichtungen erzeugen. Ausgelesen wird der Sensor, wenn unter den Elektroden 202 eine tiefste Potentialmulde vorhanden ist. Zum Auslesen werden an die Transferelektroden 320 bzw. 330 solche Spannungen angelegt, daß die vorher vorhandenen Potentialschwellen zwischen Bildpunktbereich und Übertragungskanal aufgebaut wird und ein Ladungsfluß in die Potentialmulde unter den Elektroden 202 bzw. 302 ermöglicht wird. Die in die Übertragungsvorrichtungen eingelesenen Ladungen werden seriell ausgeschoben. Erst nachdem sämtliche Ladungen ausgeschoben sind, darf erneut ausgelesen werden.
• Sämtliche Spannungen beziehen sich auf eine am Substratanschluß anliegende Bezugsspannung (0 Volt).
• Beim Betrieb eines Sensors nach F i g. 3 mit den angegebenen Abmessungen können beispielsweise folgende Spannungswerte verwendet werden: Spannungen am Streifen 110 5 Volt, Spannungen am Überlaufkanal 10 Volt, Spannung an den Transferelektroden 320 bzw. 330 während der Bildaufnahme 0 Volt, während des Auslesens 6 Volt, Taktspannungen für die beiden Übertragungsvorrichtungen 0 Volt und 10 Volt.
• Es sei darauf hingewiesen, daß die in F i g. 3 dargestellte Ausführungsform eine bevorzugte Ausführungsform darstellt. Es sind jedoch eine Reihe von anderen Ausführungsformen möglich. So können beispielsweise für die Ausleseschieberegister vorteilhaft Übertragungsvorrichtungen verwendet werden, bei denen die Phasen einstellbar sind oder nicht nur durch unterschiedliche dicke Isolierschichten (wie im Ausführungsbeispiel), sondern durch Dotierungen unter bestimmten Elektroden erfolgt. Eine solche Übertragungsvorrichtung ist beispielsweise in der DT-OS 23 51 393 dargestellt und beschrieben. Auch ladungsgekoppelte Übertragungsvorrichtungen für den Drei-Phasen-Betrieb können als Ausleseschieberegister verwendet werden. Der Überlaufkanal kann anstatt einer diffundierten Leitung auch als elektrische Leitung auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht hergestellt werden. Näheres über ladungsgekoppelte Übertragungsvorrichtungen, ihren Aufbau und ihren Betrieb kann aus der DT-OS 2201150 und aus der DT-OS 23 51 393 entnommen werden.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Eindimensionaler optoelektrischer Sensor, bei dem auf einer Oberfläche eines Substrats aus dotiertem Halbleitermaterial eine Reihe von in Abständen angeordneten MlS-Kondensatoren als Bildpunkte angeordnet sind und bei dem ein Überlaufkanal zum Schutz gegen Überbestrahlen vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlaufkanal mäanderförmig ausgebildet ist und daß in jeder Mäanderbucht nur ein Bildpunkt mit Abstand zum Überlaufkanal angeordnet ist.
2. 2. Eindimensionaler optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Überlaufkanal als eine mit einem Anschlußkontakt versehene, entgegengesetzt zum Substrat dotierte Leitung an der Substratoberfläche ausgebildet ist.

   Die vorliegende Erfindung betrifft einen eindimensionalen optoelektronischen Sensor, bei dem auf einer Oberfläche eines Substrats aus dotiertem Halbleitermaterial eine Reihe von in Abständen angeordneten MIS-Kondensatoren als Bildpunkte angeordnet sind und bei dem ein Überlaufkanal zum Schutz gegen Überbestrahlen vorhanden ist.

   Eindimensionale Sensoren der eingangs genannten Art sind bekannt. Beispielsweise wird ein solcher eindimensionaler Sensor in der Veröffentlichung »Charge Coupled Device Scanner Having Simultaneous Readout. Optical Scan and Data Rate Enhancement« von W. F. Bankowski und J. D. Tartamella in IBM Technical Disclosure Bulletin, vol. 16. Nn 1. Juni 1973. S. 173-174 beschrieben. Allgemein ist ein solcher Sensor so aufgebaut, daß auf der Oberfläche des Substrats aus dotiertem Halbleitermaterial wenigstens eine lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist. auf der eine Reihe von in Abständen angeordneten Elektroden aus elektrisch leitendem oder halbleitendem Material aufgebracht ist, wobei die Elektroden alle über eine elektrische Leitung miteinander verbunden sind. Jeweils eine Elektrode mit dem darunterliegenden dotierten Kanalbereich und der dazwischenliegenden elektrisch isolierenden Schicht bilden einen MlS-Kondensator. Dabei sei hier und im folgenden das Wort MIS-Kondensator im erweiterten Sinne derart verstanden, daß die Kondensatorelektrode auf der elektrisch isolierenden Schicht nicht nur aus Metall sondern auch aus anderen Materialien, beispielsweise aus Polysilizium bestehen kann. Zur besseren Ausnutzung des einfallenden Lichtes bei der Belichtung werden die Elektroden nämlich vorzugsweise aus lichtdurchlässigem Material hergestellt. Polykristallines Silizium ist ein solches Material. In praktischen Fällen ist ein solcher eindimensionaler Sensor beispielsweise so aufgebaut, daß auf der elektrisch isolierenden Schicht ein durchgehender Streifen aus polykristallinem Silizium aufgebracht ist. Unter diesem Streifen ist an den Stellen, an denen sich die Elektroden der MIS-Kondensatoren befinden, die elektrisch isolierende Schicht dünner als in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Elektroden. Durch Anlegen einer Spannung zwischen Substratanschluß und Polysiliziumstreifen können so unter den Elektroden Potentialmulden für die vom Licht erzeugten Informationsladungsträger er- zeugt werden. Ein solcher Sensor wird, wie in der genannten Druckschrift angegeben. zweckmäßigerwei.

   se parallel ausgelesen. Dazu ist jeder Bildpunkt des Sensors über einen Ein-Ausschalter mit einem Speicherplatz eines Ausleseschieberegisters verbunden. Als Ausleseschieberegister wird vorzugsweise eine ladungsgekoppelte Ladungsverschiebevorrichtung verwendet.

   die auf der Oberfläche des Substrats integriert ist. Aus Designgründen wird nun die Auflösung des Sensors durch die Speicherplatzdichte des Schieberegisters bestimmt. Nach der genannten Veröffentlichung kann man nun die Informationsdichte eines solchen Sensors um den Faktor 2 erhöhen, wenn man an beiden Längsseiten des Sensors ein solches Ausleseschieberegister anordnet, und wenn man die Bildpunkte der Reihe nach abwechselnd an einen Speicherplatz des einen und einen Speicherplatz des anderen Schieberegisters anschließt.

   Bei Sensoren tritt allgemein das Problem auf. daß durch Überbestrahlen eines Bildpunktes mehr Ladungsträger erzeugt werden, als in der Potentialmulde festgehalten werden können. Diese zuviel erzeugten Ladungsträger breiten sich im Substrat aus und können bei Nachbarbildpunkten zu lnformationsverfälschungen führen. Es ist daher zweckmäßig und vorteilhaft, wenn bei Sensoren Schutzvorrichtungen gegen Überbestrahlen vorgesehen sind. Eine bekannte Schutzvorrichtung für einen vorstehend beschriebenen Sensor besteht aus einem Überlaufkanal, der seitlich entlang der Bildpunktreihe in einem Abstand vorbeigeführt wird und der zuviel erzeugte Ladungsträger sammelt und abführt. In der Veröffentlichung »Blooming Suppression in Charge-Coupled Area Imaging Devices« von C. H. S e q u i n in ~ BSTJ, Oktober 1972, S. 1923 bis 1926 ist eine Sensoranordnung mit einem solchen Überlaufkanal angegeben. Dieser Überlaufkanal besteht dort aus einem entgegengesetzt zum Substrat dotierten Kanal mit Anschlußkontakt, der an der Substratoberfläche an einer Längsseite des Sensors in einem Abstand entlanggeführt ist. Durch Anlegen einer ent#sprechenden Spannung zwischen Substratanschluß und Anschlußkontakt des dotierten Kanals wird darin eine tiefe Potentialmulde für die Informationsladungsträger erzeugt, die von den Potentialmulden in den Bildpunkten durch eine Potentialschwelle getrennt ist. Zuviel erzeugte Ladungsträger fließen über diese Potentialschwelle hinweg in die Potentialmulde des Kanals ab und werden dort abgeführt. Ein solcher Sensor mit Überlaufkanal kann nun jedoch nur an der anderen Längsseite parallel ausgelesen werden.

   Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor mit Überlaufkanal der eingangs genannten Art anzugeben, der an beiden Längsseiten parallel auslesbar ist.

   Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Überlaufkanal mäanderförmig ausgebildet ist und daß in jeder Mäanderbucht nur ein Bildpunkt mit Abstand zum Überlaufkanal angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist dieser Überlaufkanal als eine mit einem Anschlußkontakt versehene, entgegengesetzt zum Substrat dotierte Leitung an der Substratoberfläche ausgebildet.

   Damit ist ein eindimensionaler Sensor geschaffen, der einen Schutz gegen Überbestrahlen aufweist und der dennoch an beiden Längsseiten parallel auslesbar ist.