DE68917242T2

DE68917242T2 - Festkörperbildsensor.

Info

Publication number: DE68917242T2
Application number: DE68917242T
Authority: DE
Inventors: Eric Gordon Rochester Ny 14624 Stevens
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1988-03-21
Filing date: 1989-03-13
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2009-03-14
Also published as: EP0362344A1; JPH02503618A; WO1989009495A1; US4984047A; EP0362344B1; JP3177514B2; DE68917242D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildsensor und insbesondere Mittel zur Überwachung von Überstrahlungsreflexen in einem bildabtastenden Element eines derartigen Sensors.
Bekannt sind Festkörper-Bildsensoren, bei denen in einem lichtempfindlichen Element proportional zu der auf dieses Element geleiteten Lichtenergie Signalträger erzeugt werden. Die Signalträger werden über ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD = charge-coupled device) ausgelesen. Wenn die über einen vorgegebenen Zeitraum auf das lichtempfindliche Element auffallende Lichtmenge relativ hoch ist, werden im lichtempfindlichen Element bei Überschreiten der Speicherkapazität des Elements Ladungsträger erzeugt. Ist dies der Fall, strömen die überschüssigen Ladungsträger in benachbarte lichtempfindliche Elemente. Dies führt zu einer als Überstrahlung bezeichneten Reflexerscheinung. Bei der Reproduktion eines Bildes aus von den Sensoren erzeugten Signalen ist die Bildqualität in den Bereichen, in denen bei der Bilderfassung Überstrahlung aufgetreten ist, deutlich schlechter.
Ein bekanntes Verfahren zur Überwachung der Überstrahlung besteht in der Verwendung vertikaler Überlauf-Drainzonen zum Entfernen von überschüssigen Ladungsträgern. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in WO-A-88/00759 beschrieben. Bei einer derartigen Einrichtung wird ein lichtempfindliches Element vom N-Typ durch ein Substrat vom N-Typ von einer Schicht vom P-Typ getrennt, die ein Referenzpotential aufweist. Wird das Substrat über ein vorbestimmtes Potential hinaus elektrisiert, erhält man einen Durchschlagszustand, bei dem sich die Schicht vom P-Typ im Verarmungszustand befindet. Tritt dieser Fall ein, können überschüssige Ladungsträger vom lichtempfindlichen Element in das Substrat strömen, das als vertikale Überlauf-Drainzone dient. Ein Nachteil von Sensoren, die vertikale Überlauf-Drainzonen verwenden, besteht darin, daß die Sensoren in den grünen und roten Bereichen des Spektrums eine geringere Ansprechempfindlichkeit aufweisen.
Ferner ist die Verwendung sogenannter Querüberlauf-Drainzonen bekannt, um die Überstrahlung bei Bildsensoren zu steuern. ln US-A-4,460,912 wird ein Festkörper-Sensor des Zeilentransfer-Typs beschrieben, wobei lichtempfindliche Elemente in vertikalen Spalten angeordnet sind, so daß bei jedem lichtempfindlichen Element auf einer Seite ein vertikaler Übertragungsbereich bereitgestellt ist. An einer gegenüberliegenden Seite der lichtempfindlichen Elemente ist jedem einzelnen Element gegenüberliegend eine Querüberlauf-Drainzone ausgebildet. Zwischen jedem lichtempfindlichen Element und seiner dazugehörigen Überlauf-Drainzone ist eine Überlauf-Gate-Elektrode bereitgestellt, und die Elektrode wird mit Gleichspannung beaufschlagt, um die Übertragung von überschüssigen Ladungsträgern zur Überlauf-Drainzone zu steuern. Ein Problem bei dieser Einrichtung besteht darin, daß wegen der zusätzlichen Steuerelektrode für das Überlaufgatter eine Verringerung des wirksamen Bereichs des Sensors auftritt. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Herstellung der Einrichtung mit der gewünschten kleinen Pixelgröße wegen der relativ großen Anzahl von Flächenelementen schwierig ist.
JP-A-61 018 172 beschreibt einen Halbleiter mit einem Überlauf-Drainbereich neben einem Sensor, wobei dessen Oberfläche mit einem leitfähigen Halbleiterbereich bereitgestellt wird, so daß das Mindestpotential über die Oberfläche des Halbleiters hinaus vorliegt. Allerdings beinhaltet diese Einrichtung eine komplexe Struktur, die sich nicht leicht herstellen läßt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebenen Probleme beim bisherigen Stand der Technik zu überwinden und eine verbesserte Festkörpereinrichtung bereitzustellen, die eine leicht herzustellende Struktur aufweist.
Gemäß der im Hauptanspruch 1 offengelegten Erfindung wird ein Festkörper- Bildsensor bereitgestellt, bestehend aus
- einem eine Hauptfläche bildenden Halbleitersubstrat 62; 62' eines ersten Leitfähigkeitstyps;
- einem lichtempfindlichen ersten Bereich 68; 68' eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der innerhalb des Substrats liegt und an die Hauptfläche angrenzt;
- einem innerhalb des ersten Bereichs liegenden und zum zweiten Leitfähigkeitstyp hoher Leitfähigkeit gehörenden zweiten Bereich 76; 76', in den überschüssige Ladungsträger fließen und der an die Hauptfläche angrenzt;
- einem innerhalb des ersten Bereichs liegenden und zum ersten Leitfähigkeitstyp hoher Leitfähigkeit gehörenden dritten Bereich 72; 72', der an die Hauptfläche angrenzt, vom zweiten Bereich beabstandet ist und an der Hauptfläche den zweiten Bereich von einem Teil des ersten Bereichs, in dem der zweite Bereich nicht liegt, trennt, wodurch das elektrostatische Potential im ersten Bereich und damit der Pegel steuerbar ist, bei dessen Erreichen überschüssige Ladung aus dem ersten Bereich in den zweiten Bereich abfließt; und
- Mitteln 66; 66' zum Auslesen von im ersten Bereich erzeugten Ladungsträgern.
Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein Festkörper-Bildsensor eine in einem Substrat vom P-Typ ausgebildete PN-Fotodiode. Ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) ist neben der Fotodiode ausgebildet, um Signalträger von der Fotodiode zu empfangen. In einem Bereich der Fotodiode ist eine Querüberlauf-Drainzone ausgebildet, um überschüssige Ladungsträger von der Fotodiode zu empfangen. Ein virtuelles Gatter, das physischen Kontakt zu einem Kanalstoppbereich hat, ist neben der Drainzone ausgebildet. Eine an die Drainzone angelegte Spannung bewirkt die Übertragung von überschüssigen Ladungsträgern von der Fotodiode zur Drainzone.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Verwendung des virtuellen Gatters das Erfordernis einer zusätzlichen Ebene aus Gate-Material und eines Kontakts für das Gatter entfällt. Ein weiterer Vorteil des Sensors liegt darin, daß die Ansprechempfindlichkeit des Sensors in sämtlichen Bereichen des sichtbaren Spektrums relativ hoch ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Festkörper-Bildsensors des Zeilentransfer-Typs nach dem bisherigen Stand der Technik;
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Bildsensorelement;
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Bildsensor des Zeilentransfer- Typs;
Fig. 5A-5E die bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Bildsensorelements ausgeführten Schritte;
Fig. 6 eine zweite Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 eine im wesentlichen der in Fig. 3 wiedergegebenen Schnittansicht ähnliche Schnittansicht des erfindungsgemäßen Bildsensorelements, wobei das elektrostatische Potential im Sensor an verschiedenen Positionen des Sensors angegeben ist; und
Fig. 8 ein Schaubild mit der Wiedergabe eines Vergleichs der Ansprechempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Bildsensorelements gegenüber der Ansprechempfindlichkeit eines Bildsensorelements mit einer vertikalen Überlauf-Drainzone.
Der hier verwendete Begriff "virtuelles Gatter" bezieht sich auf eine Struktur im offengelegten Bildsensorelement, die die bei Einrichtungen nach dem bisherigen Stand der Technik von einem Gatter und von einer Gate-Elektrode wahrgenommenen Funktionen ausführt. Das in der Erfindung eingesetzte virtuelle Gatter ermöglicht die Steuerung des elektrostatischen Potentials in einem Kanalbereich direkt unterhalb des virtuellen Gatters, wobei der "Überlaufpunkt" bestimmt wird, das heißt, der Pegel, bei dessen Erreichen überschüssige Ladung aus der Fotodiode abfließt.
In Fig. 1 ist ein Festkörpersensor 30 nach dem bisherigen Stand der Technik dargestellt. Der Sensor 30 enthält ein Substrat 32 vom P-Typ. Eine Fotodiode 34 im Substrat 32 enthält einen Bereich 36 des N-Typs. An einer Seite der Fotodiode 34 ist durch einen Bereich vom N-Typ eine Querüberlauf-Drainzone 40 (LOD = lateral-overflow drain) ausgebildet. An der gegenüberliegenden Seite der Fotodiode 34 ist durch einen Bereich vom N-Typ 46 ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) 44 ausgebildet. Eine Isolierschicht 48 ist entsprechend der Darstellung in Fig. 1 auf dem Sensor 30 ausgebildet. Eine Transfer-Gate-Elektrode 49 ist so eingerichtet, daß sie den Strom von Ladungsträgern von der Fotodiode 34 zur Einrichtung 44 steuert, und eine vertikale Transferelektrode 50 ist so eingerichtet, daß sie den Strom von Ladungsträgern zu einem (nicht dargestellten) horizontalen Ladungstransferabschnitt steuert. Eine LOD-Gate-Elektrode 52 ist bereitgestellt, um den Strom von überschüssigen Ladungsträgern zur Drainzone 40 zu steuern. Wie eingangs erwähnt wurde, besteht ein Nachteil von Sensoren des in Fig. 1 dargestellten Typs nach dem bisherigen Stand der Technik darin, daß im Sensor 30 eine LOD-Gate-Elektrode benötigt wurde, wie beispielsweise die Elektrode 52.
In Fig. 2 und 3 ist ein erfindungsgemäß hergestelltes Bildsensorelement 60 wiedergegeben. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, enthält das Element 60 ein Substrat 62 vom P-Typ, eine gesockelte Fotodiode 64 und ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) 66 mit vergrabenem Kanal. Der CCD 66 enthält im Substrat 62 einen Bereich 67 vom N-Typ. Die Fotodiode 64 ist im Substrat 62 durch einen Bereich 68 vom N-Typ gebildet, der eine darauf ausgebildete Pinningschicht 70 aufweist. An die Schicht 70 grenzt ein virtuelles Gatter 71 an, das durch einen ionenimplantierten P&spplus;-Bereich 72 ausgebildet ist, der entsprechend der Darstellung in Fig. 2 (Original: Fig. 1) mit einem P&spplus;-Kanalstoppbereich 74 in Berührung steht. Der Kanalstoppbereich 74, der durch das Substrat 62 auf ein Referenzpotential vorelektrisiert ist, dient dazu, die einzelnen Elemente 60 voneinander zu isolieren. Die Funktionsweise des virtuellen Gatters 71 wird im folgenden ausführlicher besprochen. Eine Querüberlauf-Drainzone (LOD) 75 ist durch einen neben dem Bereich 72 implantierten N&spplus;-Bereich 76 ausgebildet. Durch einen Anschlußpunkt 78 wird eine Vorspannung VD an die Drainzone 75 angelegt. Entsprechend der Darstellung in Fig. 3 ist im Element 60 eine Isolierschicht 80, beispielsweise aus Siliziumdioxyd, ausgebildet. Ein über eine CCD-Taktelektrode 82 angelegtes Potential wird verwendet, um sowohl die Übertragung von Ladungsträgern von der Fotodiode 64 durch ein Transfergatter 84 zum CCD 66 als auch die Übertragung von Ladungsträgern zu einem horizontalen Ladungstransferabschnitt 18 eines Bildsensors 10 zu bewirken. (Siehe Fig. 4.)
Die Bildsensorelemente 60 können in einem Bildsensor entsprechend der Darstellung des Bildsensors 10 in Fig. 4 angeordnet sein. Der Bildsensor 10 ist vom Zeilentransfer-Typ. Die Bildsensorelemente 60 können auch in einem (nicht dargestellten) linearen Bildsensor eingesetzt werden. Der Bildsensor 10 enthält eine Vielzahl von Bildsensorelementen 60, die entsprechend der Schaubildwiedergabe in Fig. 4 in horizontalen Zeilen und vertikalen Spalten angeordnet sind. Beim Betrieb des Bildsensors 10 werden in den Fotodioden 64 gemaß dem Verhältnis der darauf auftreffenden Lichtenergie Ladungsträger ausgebildet. Die Ladungstrgger werden zu den CCD 66 übertragen, wo sie vertikal (entsprechend der Betrachtungsweise von Fig. 4) zu einem horizontalen Ladungstransferabschnitt 18 und anschließend zu einem Ausgangsabschnitt 20 bewegt werden.
Ein Herstellungsprozeß für die Herstellung des Sensors 60 ist in Fig. 5A-5E wiedergegeben. Wie in Fig. 5A dargestellt ist, beginnt der Prozeß damit, daß auf dem Substrat 62 vom P-Typ die Isolierschicht 80 gebildet wird. In einem in Fig. 5A dargestellten ersten Schritt werden Phosphor- oder Arsenionen im Substrat 62 implantiert, um den N-Typ-Bereich 67 des CCD 66 mit vergrabenem Kanal auszubilden. Im nächsten Schritt werden Phosphorionen implantiert, um entsprechend der Darstellung in Fig. 5B den N-Typ-Bereich 68 der Fotodiode 64 zu bilden. Mit vorgegebener lonendosis und Ionenenergie werden Borionen im Bereich 68 implantiert, üm die Pinningschicht 70 (Fig. 5C) zu bilden und um in einem Gebiet mit höherer Ionendosis, das durch die Maskierungsschicht 105 definiert ist, den P&spplus;-Bereich 72 des virtuellen Gatters 71 (Fig. 5D) zu bilden. Im abschließenden Implantationsschritt, der in Fig. 5E wiedergegeben ist, werden Arsen- oder Phosphorionen durch eine Öffnung in einer Maskierungsschicht 108 implantiert, um den N&spplus;-Bereich 76 der Drainzone 75 zu bilden. Nach dem Abschluß der in Fig. 5A-5E dargestellten Schritte wird ein (nicht dargestellter) Metallisierungsschritt ausgeführt, um die Elektroden und die erforderlichen Verbindungen zwischen den Einrichtungen herzustellen.
Die Arbeitsweise der Erfindung ist am besten unter Bezugnahme auf Fig. 7 nachzuvollziehen. In Fig. 7 sind die Elemente des Sensors 60 im Schnitt dargestellt. Weiter ist eine Kurve 90 wiedergegeben, die das elektrostatische Potential im Sensor 60 an dessen Querschnitt während des Integrationszeitraums darstellt. Die Kurve 90 wurde in Funktion des seitlichen Abstands gezeichnet, wobei der Querschnitt die X-Achse und das Kanalpotential die Y-Achse darstellt und das Potential in Richtung der X-Achse zunimmt. Es ist ersichtlich, daß beim Entstehen von Ladungsträgern in der Fotodiode 64 infolge des darauf auffallenden Lichts diese Ladungsträger schließlich einen durch die Linie 94 angegebenen Pegel erreichen, wobei die Ladungsträger zu diesem Zeitpunkt unter das virtuelie Gatter 71 und in die Dralnzone 75 strömen. Das Potential an der Drainzone 75 wird über eine durch den Anschlußpunkt 78 angelegte Spannung VD im Vergleich zum Potential am Punkt 77 auf einem höheren Wert gehalten. Wird die Übertragung von Ladungsträgern zum CCD 66 gewünscht, wird die Elektrode 82 mit einer Spannung VG eines ersten Pegels beaufschlagt, wodurch sich das Potential am Punkt 79 in der Kurve 90 erhöht, so daß ein Strom von Ladungsträgern durch ein Transfergatter 84 bewirkt wird. Wird die Elektrode 82 mit einer Spannung VG eines zweiten Pegels beaufschlagt, werden Ladungsträger vom CCD 66 in einer Richtung verschoben, die senkrecht zu der in der Zeichnung von Fig. 7 dargestellten Oberfläche verläuft.
Wie eingangs erwähnt wurde, besteht ein Vorteil der Erfindung darin, daß keine Elektrode zur Überwachung der Querüberlauf-Drainzone benötigt wird. Die Erfindung bietet auch einen Vorteil hinsichtlich bereits bekannter Sensoren, die eine vertikale Überlauf-Drainzone verwenden. Dies ist in Fig. 8 dargestellt, wobei die Kurve 100 die Ansprechempfindlichkeit des Elements 60 bei Wellenlängen von 350 nm bis 750 nm wiedergibt und wobei die Kurve 102 die Ansprechempfindlichkeit eines typischen (nicht dargestellten) Sensors mit vertikaler Überlauf-Drainzone darstellt. Es läßt sich nachvollziehen, daß das Element 60 tatsächlich die Ansprechempfindlichkeit in den grünen und roten Bereichen (das heißt bei Wellenlängen von etwa 550 nm bis 650 nm) erhöht, während der Sensor mit vertikaler Überlauf- Drainzone ab einer Wellenlänge von etwa 500 nm eine abnehmende Ansprechempfindlichkeit aufweist. Diese Erscheinung ist bei Einrichtungen mit vertikalen Überlauf-Drainzonen bereits bekannt, und sie geht auf den Umstand zurück, daß die Mehrzahl der längerwelligen Photonen unterhalb eines relativ flachen Überlaufpunktes absorbiert wird, der im Bereich zwischen der Fotodiode und dem Substrat angeordnet ist.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt, wobei Teile, die Teilen des Elements 60 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung eines Hochstriches angegeben sind. Entsprechend der Darstellung in Fig. 6 enthält ein Bildsensorelement 60' ein Substrat 62', eine Fotodiode 64' und ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) 66' mit vergrabenem Kanal, das einen Bereich 67' vom N-Typ enthält. Die Fotodiode 64' ist durch einen N-Typ-Bereich 68' im Substrat 62' ausgebildet. Ein virtuelles Gatter 71' ist durch einen ionenimplantierten P&spplus;-Bereich 72' gebildet, der (in einer nicht dargestellten Fläche) an einen P&spplus;-Kanalstoppbereich 74' angrenzt. Ein N&spplus;-Bereich 76' neben dem Bereich 72' bildem eine Querüberlauf-Drainzone 75'. Über einen Anschlußpunkt 78' wird die Drainzone 75' mit einer Vorspannung VD beaufschlagt. In der Einrichtung 60' ist eine Isolierschicht 80' ausgebildet. Eine CCD-Taktelektrode 82' ist bereitgestellt, um die Übertragung von Ladungsträgern von der Fotodiode 64' durch ein Transfergatter 84' zum CCD 66' zu bewirken. Der Hauptunterschied zwischen dem in Fig. 6 wiedergegebenen Element 60' und dem eingangs beschriebenen Element 60 besteht darin, daß die Einrichtung 60' keine Schicht aufweist, die der Pinningschicht 70 im Element 60 entspricht. Das Element 60' arbeitet auf die gleiche Weise wie das Element 60, mit der Ausnahme, daß die Fotodiode 64' auf ein Transfergatter-Potential zurückgesetzt wird, während die Fotodiode 64 auf ein Sockeldiodenpotential zurückgesetzt wird.

Zeichnungsbeschriftung

Fig. 5A

a ODER

Fig. 7

a KANALPOTENTIAL
b SEITLICHER ABSTAND

Fig. 8

c ABSOLUTE ANSPRECHEMPFINDLICHKEIT (mA/W)
d WELLENLÄNGE (nm)

Claims

1. Festkörper-Bildsensor bestehend aus

- einem eine Hauptfläche bildenden Halbleitersubstrat (62; 62') eines ersten Leitfähigkeitstyps,

- einem lichtempfindlichen ersten Bereich (68; 68') eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der innerhalb des Substrats liegt und an die Hauptfläche angrenzt;

- einem innerhalb des ersten Bereichs liegenden und zum zweiten Leitfähigkeitstyp hoher Leitfähigkeit gehörenden zweiten Bereich (76; 76'), in den überschüssige Ladungsträger fließen und der an die Hauptfläche angrenzt;

- einem innerhalb des ersten Bereichs und zum ersten Leitfähigkeitstyp hoher Leitfähigkeit gehörenden dritten Bereich (72; 72'), der an die Hauptfläche angrenzt, vom zweiten Bereich beabstandet ist und an der Hauptfläche den zweiten Bereich von einem Tell des ersten Bereichs, in dem der zweite Bereich nicht liegt, trennt, wodurch das elektrostatische Potential im ersten Bereich und damit der Pegel steuerbar ist, bei dessen Erreichen überschüssige Ladung aus dem ersten Bereich in den zweiten Bereich abfließt; und

- Mitteln (66; 66') zum Auslesen von im ersten Bereich erzeugten Ladungsträgern.

2. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine im ersten Bereich (68) neben dem dritten Bereich und an die Hauptfläche angrenzende, und zum ersten Leitfähigkeitstyp gehörende Schicht (70) vorgesehen ist, die eine gegenüber dem dritten Bereich geringere Tiefe besitzt.

, Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Auslesen der Ladungsträger ein CCD (66; 66') ist.

4. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der CCD (66; 66') einen im Substrat (62; 62') vergrabenen Kanal (67; 67') aufweist.

5. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der CCD (66; 66') eine CCD Taktelektrode (82; 82') aufweist.

6. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Leitfähigkeitstyp P-bzw. N-Leitfähigkeitstypen sind.