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Die Erfindung behandelt Bildabtasteinrichtungen und
insbesondere einen Bildsensor mit
Zwischenzeilenübertragung, der im Auslesemodus mit oder ohne
Zwischenzeilenübertragung betrieben werden kann.
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Bei Bildverarbeitungseinrichtungen mit
Zwischenzeilenübertragung wird eine fotografisch erzeugte Ladung in
einem Zeitraum auf einem Pixel oder einem
Fotorezeptorelement, wie beispielsweise einem pn-Übergang
(Fotodiode), oder auch unter dem Gate eines
Fotokondensators gesammelt und anschließend in ein CCD-
Register übertragen, wo sie von einer Ausgabeschaltung
detektiert wird. Bei einer Flächenanordnung dieser
Pixel ist es erforderlich, die gesammelte Fotoladung
zunächst in ein vertikales Schieberegister und dann in
ein horizontales Schieberegister zu übertragen, so daß
sie schließlich einen ladungsempfindlichen Detektor
oder Verstärker erreicht. Einrichtungen mit
Zwischenzeilenübertragung nach dem bisherigen Stand der Technik
waren weitgehend so angeordnet, daß in einer
Betriebsart mit sogenanntem Zeilensprung ausgelesen wurde. In
einer typischen Einrichtung nach dem Stand der Technik
entsprechend der schematischen Darstellung in Fig. 1
und 2 werden Reihen von Fotorezeptoren wechselweise
nacheinander ausgelesen, wobei ungerade numerierte
Reihen einem ersten sogenannten Feld zugeordnet sind
und Reihen mit gerader Numerierung einem zweiten Feld
zugeordnet werden. Fig. 2 ist eine schematische
vertikale
Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus Fig.
1. In Fig. 1 und 2 wird ein gegebenes Pixelfeld der
Reihen 1, 3, 5 usw. adressiert, indem eine Spannung an
die Elektroden 20 und 30 angelegt wird, die beide mit
der gleichen vertikalen Taktleitung φ&sub1; verbunden sind.
Beim Anlegen dieser Spannung wird die Fotoladung
entsprechend der schematischen Darstellung durch die
horizontalen Pfeile in Fig. 1 zum vergrabenen Kanal 40 des
vertikalen Schieberegisters übertragen (siehe Fig. 2).
Dieses vertikale Schieberegister ist zusammengesetzt
aus dem vergrabenen Kanal 40, den Elektroden 20 und 30,
die mit der vertikalen Taktleitung φ&sub1; verbunden sind,
und den Elektroden 50 und 60, die mit der vertikalen
Taktleitung φ&sub2; verbunden sind. Diese Elektroden sind
durch eine Isolierschicht 80 vom Substrat-Halbleiter 70
getrennt. Die Bereiche 65 unter den Elektroden 30 und
sind lonenimplantiert, um eine
Energiepotentialdifferenz zwischen den Bereichen 25 und 26, die durch
die Spannungen an der Taktleitung φ&sub1; gesteuert wird,
bereitzustellen, sowie auch zwischen den Bereichen 55
und 56, wobei die Differenz durch die Spannungen an der
Taktleitung φ&sub2; gesteuert wird. Zum Auslesen von
beispielsweise ungerade numerierten Pixelreihen wird die
Leitung φ&sub1; so getaktet, daß die Übertragung der
Fotoladung von den Fotodioden zum Bereich des vergrabenen
Kanals unter der Elektrode 20 erfolgt. Dieser
Übertragungsimpuls für ungerade Felder ist in Fig. 3a
wiedergegeben. Die Fotoladung wird anschließend über
die vertikalen und horizontalen CCD-Schieberegister zu
einem Ladungsdetektionsverstärker übertragen. Daran
anschließend werden Stellen an gerade numerierten
Reihen als zweites Feld in ähnlicher Weise ausgelesen,
indem ein Übertragungsimpuls für gerade Felder angelegt
wird, der in Fig. 3a schematisch dargestellt ist, so
daß die Fotoladung von den Pixelreihen mit gerader
Numerierung zum Bereich des vergrabenen Kanals unter
den Elektroden 50 übertragen wird. Durch daran
anschließendes Takten wird die Fotoladung über die
vertikalen und horizontalen Schieberegister zum
Ausgangsverstärker übertragen. Die vertikalen Taktspannungen
für diese Betriebsart mit Zeilensprung sind schematisch
in Fig. 3a dargestellt. Bei einer derartigen
Architektur einer Einrichtung nach dem bisherigen Stand der
Technik ist es allerdings nicht möglich, alle
Pixelreihen nacheinander auszulesen, d.h. in einer
Betriebsart, die als ohne Zeilensprung bezeichnet werden
könnte, da für jede Pixelreihe nur eine Hälfte einer
vertikalen Schieberegisterzelle zur Verfügung steht. Um
ein Auslesen ohne Zeilensprung zu erzielen, ist für
jede Reihe aus Fotodioden eine vollständige vertikale
CCD-Schieberegisterzelle erforderlich, da die
Fotoladung sämtlicher Pixel gleichzeitig in das vertikale
Schieberegister übertragen und während der Übertragung
zum Ausgangsverstärker in separaten Ladungspaketen
gehalten werden muß. Um nach dem bisherigen Stand der
Technik eine derartige Auslesefolge ohne Zeilensprung
bereitzustellen, müßte zu jedem Pixel mindestens vier
separate CCD-Elektroden vorliegen, falls ein ähnlicher
Herstellungsprozeß verwendet und die gleiche Anzahl von
Taktspannungen beibehalten werden soll. Falls
alternativ dazu sich auf drei Ebenen überlappende Elektroden
mit Dreiphasen-Taktsequenz verwendet werden, wie es bei
Tsaur et al. in IEEE Electron Device Letters,
/MDUL/10/MDNM/, 361-363, 1989, beschrieben ist, kann
ein Auslesen ohne Zeilenübertragung erreicht werden;
doch geht dies zu Lasten einer zusätzlichen Komplexität
von Prozeß und System, und es muß verfügbare
lichtempfindliche Fläche geopfert werden, ohne aber mit der
gleichen Einrichtung wahlfrei auch ein Auslesen mit
Zeilenübertragung erzielen zu können.
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In US-A-4,330,796 beschreiben Anognostopoulos et al.
einen CCD-Bildsensor mit Zwischenzeilenübertragung ohne
Zeilensprung, bei dem drei Elektroden pro Pixel und
eine "Mäanderkanal"-CCD-Einrichtung verwendet werden,
die einen großen Teil der gesamten Pixelfläche belegt.
Wie bei Losee et al. in US-A-4,613,402 beschrieben
wird, liegen aber, falls die Sperrschichtimplantate in
der Mäanderkanal-CCD-Einrichtung nicht exakt
ausgerichtet sind, in der CCD-Einrichtung parasitäre
Potentialschächte oder Sperrschichten vor, die dazu führen, daß
die Übertragung nicht effektiv und mit schwacher
Leistungscharakteristik erfolgt. Weiter ermöglicht die
Einrichtung von Anognostopoulos et al. keine Auswahl
von Auslesevorgängen entweder mit oder ohne
Zeilensprung.
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US-A-4,805,026 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung
eines CCD-Bildflächensensors, der selektiv in einem
Auslesemodus entweder mit oder ohne Zeilensprung
betrieben werden kann. Gemäß der im erwähnten Dokument
beschriebenen Einrichtung wird eine erste Frequenz für
den Modus mit Zeilensprung verwendet, und eine zweite
Frequenz wird für den Modus ohne Zeilensprung
verwendet.
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Die Erfindung hat entsprechend der in den Ansprüchen 1
und 2 formulierten Beschreibung das Ziel, einen
Bildsensor mit vereinfachtem Pixeldesign bereitzustellen,
der sowohl im Modus mit Zeilensprung als auch im Modus
ohne Zeilensprung betrieben werden kann.
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Die Erfindung verwendet ein
Zweiphasen-CCD-Schieberegister, das für jede Taktphase lediglich eine
Elektrode benutzt, sowie eine Elektrode der ersten Ebene
und eine Elektrode der zweiten Ebene, so daß eine
vereinfachte Ausleseeinrichtung ohne Zeilensprung
verwirklicht wird mit einem entsprechend verbesserten
Verhältnis
zwischen lichtempfindlicher Fläche und gesamter
Pixelfläche. Die Architektur erfordert somit nur, daß
zwei Elektroden einer gegebenen Pixelreihe zugeordnet
werden, wobei diese beiden Elektroden für jede Reihe
aus Bildstellen eine vollständige CCD-Stufe umfassen.
Paarweise angeordnete Elektroden der einen Ebene oder
aus beiden Ebenen werden abwechselnd mit separaten
Taktspannungen verbunden, um dadurch die wahlfreie
Auswahl des Auslesemodus entweder mit oder ohne
Zeilensprung zu ermöglichen. Die Selbstausrichtung der
Übertragungssperrschicht-Implantate gewährleistet eine
ausgezeichnete Übertragungsleistung des
CCD-Schieberegisters.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
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Es zeigen
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Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines
Teilabschnitts einer typischen Bildverarbeitungseinrichtung
mit Auslesemodus mit Zeilensprung nach dem bisherigen
Stand der Technik;
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Fig. 2 einen bruchstückhaften, teilweise schematischen
vertikalen Querschnitt durch eine Halbleitereinrichtung
entlang der in Fig. 1 wiedergegebenen Linie A-A, mit
der Darstellung einer Konstruktion nach dem Stand der
Technik;
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Fig. 3a ein schematisches Taktablaufdiagramm für den
Betrieb einer Einrichtung nach dem Stand der Technik
mit feldweisem Zeilensprung;
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Fig. 3b bis Fig. 3c schematische Zeitablaufdiagramme
für den Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung im
Modus mit Zeilensprung sowie ohne Zeilensprung;
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Fig. 4 eine schematische Draufsicht einer
Ausführungsform eines Teilabschnitts der Erfindung;
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Fig. 5 einen bruchstückhaften, teilweise schematischen
Querschnitt entlang der in Fig. 4 wiedergegebenen Linie
B-B;
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Fig. 6 eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung; und
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Fig. 7 ein schematisches Taktablaufdiagramm, um den
Betrieb der in Fig. 6 dargestellten Einrichtung in
einem Auslesemodus mit Zeilensprung zu ermöglichen.
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Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer
Draufsicht eines Teilabschnitts einer Einrichtung zur
Zwischenzeilenübertragung in einer Ausführungsform der
Erfindung. Pixelreihen oder Fotorezeptorelemente, wie
die als 1, 2, 3 und 4 gekennzeichneten Elemente,
wechseln sich ab mit vertikalen Schieberegisterspalten 11,
21, 31 usw. Obwohl dies nicht dargestellt ist, ist
selbstverständlich eine Übertragungsanordnung
bereitgestellt, die die Übertragung der fotografisch
erzeugten Ladung von den Pixeln zu den dazugehörigen
vertikalen Schieberegisterelementen ermöglicht. Diese
Ladungsübertragung ist durch die in Fig. 4 wiedergegebenen
horizontalen Pfeile schematisch dargestellt. Das
vertikale Schieberegister ist ein
Zweiphasen-CCD-Schieberegister, das aus zwei sich überlappenden
Leiterschichten zusammengesetzt ist, die typischerweise aus
dotiertem Polysilizium bestehen. Die Zweiphasen-
Abschnitte des Schieberegisters sind in Fig. 4 durch
die schraffierten Flächen mit nach links unten bzw.
nach rechts unten geneigten Linien angegeben. In Fig. 4
ist eine Taktspannungs-Steuereinheit dargestellt, die
die vertikalen Schieberegisterelektroden mit den
entsprechenden Spannungen beaufschlagt. Derartige
Strukturen zur Erzeugung von Taktsignalen sind Fachleuten
bereits bekannt. Man vergleiche diesbezüglich
beispielsweise das allgemein am 6. Juni 1989 erteilte
Patent US-A-4,922,137 auf den Namen von Small et al.
Entsprechend der Darstellung in Fig. 4 verlaufen die
Verbindungen der Taktspannungsleitung φ1a zu den Elek
troden der ersten Ebene, die den Fotorezeptoren an
ungerade numerierten Reihen wie beispielsweise 1 und 3
zugeordnet sind; die Verbindungen der
Taktspannungsleitung φ1b zu den Elektroden der ersten Ebene, die den
Fotorezeptoren an gerade numerierten Reihen wie
beispielsweise 2 und 4 zugeordnet sind; sowie die
Verbindungen der Taktspannungsleitung φ&sub2; zu den Elektroden
der zweiten Ebene. Die vertikalen Schieberegister sind
detaillierter dargestellt in Fig. 5, in der ein
schematischer vertikaler Schnitt entlang der in Fig. 4
dargestellten Linie B-B wiedergegeben ist.
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In Fig. 5 ist ein p-leitendes Halbleitersubstrat 100
mit einem n-leitenden vergrabenen Kanalbereich 120
vorhanden. Auf dem Substrat ist ein Isolieroxid 130
aufgewachsen, und Polysiliziumelektroden 140 der ersten
Ebene sind bereitgestellt. Dotierte Bereiche 150 werden
im Substrat über Mittel erzeugt, wie sie beispielsweise
beschrieben sind durch Losee et al. in US-A-4,613,402,
wobei die dotierten Bereiche unter Elektroden
positioniert sind und genau bezüglich der Kanten der
Polysiliziumelektroden 140 der ersten Ebene ausgerichtet
sind. Zusätzliche dotierte Bereiche 160 sind neben den
Elektroden 140 vorhanden, und Polysiliziumelektroden
170 der zweiten Ebene sind ausgebildet. Die Elektroden
170 sind mit einer Taktspannungsleitung φ&sub2; verbunden,
und die Elektroden des Polysiliziums der ersten Ebene
sind wechselweise mit den Leitungen φ1a bzw. φ1b
verbunden. Die Dotierung in den Bereichen 150 und 160 ist so,
daß im vergrabenen Kanal unterhalb jeder Elektrode eine
Potentialstufe ausgebildet ist und somit die
Ladungsübertragung erleichtert wird.
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Die Taktspannungen für den Betrieb der Einrichtung im
Modus ohne Zeilensprung sind in Fig. 3b wiedergegeben.
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In Fig. 3b sowie in der in Fig. 4 gezeigten
Ausführungsform ist dargestellt, daß die Taktspannungen,
mit denen die Leitung φ1a beaufschlagt wird, gleich den
Taktspannungen sind, mit denen die Leitung φ1b
beaufschlagt wird. Am Anfang eines Blocks wird ein
schematisch in Fig. 3b dargestellter Übertragungsimpuls wie
angegeben angelegt, und zu diesem Zeitpunkt wird die
Fotoladung von allen Fotorezeptorstellen in
entsprechende Positionen in den vertikalen
Schieberegisterkanälen übertragen. Anschließend werden die
Ladungen durch Zweiphasentakte jeweils zeilenweise auf
bereits bekannte Weise in ein horizontales
Schieberegister übertragen.
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Bei der Einrichtung wird der Auslesebetrieb mit
Zeilensprung durch Taktspannungen entsprechend der Angabe in
Fig. 3c bereitgestellt, wobei die Fotoladung aus
ungerade numerierten Fotorezeptorreihen mit dem für die
Leitung φ1a angegebenen Übertragungsimpuls des ungeraden
Feldes übertragen und ausgelesen wird. Anschließend
wird die Fotoladung aus gerade numerierten Reihen mit
einem ähnlichen Impuls des geraden Feldes, mit dem die
Leitung φ1b beaufschlagt wird, übertragen und
ausgelesen. Man beachte, daß die vertikalen Taktimpulse im
Vergleich zum Modus ohne Zeilensprung mit doppelter
Geschwindigkeit erfolgen müssen, falls der vollständige
Block mit Bildinformationen im gleichen Zeitraum
ausgelesen werden soll. Dies liegt daran, daß im Modus mit
Zeilensprung jede Reihe über zwei vollständige CCD-
Stufen übertragen werden muß, um die nächste ungerade
(bzw. gerade) numerierte Reihe in das horizontale CCD-
Element zu bewegen.
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Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6
schematisch dargestellt. Eine
Taktspannungs-Steuereinheit zum Anlegen der jeweiligen Taktspannungen ist
ebenfalls in Fig. 6 wiedergegeben. Bei der Anordnung
dieser Ausführungsform werden Reihen, die jeweils
Elektroden der ersten und der zweiten Ebene enthalten,
wechselweise mit separaten Taktspannungen verbunden. Um
die Einrichtung im Modus ohne Zeilensprung zu
betreiben, werden Elektroden, die aus der ersten
Polysiliziumebene gebildet sind, über die Leitungen φ&sub1; bzw.
φ&sub3; mit einer Taktspannung einer ersten Phase verbunden,
und Elektroden, die aus der zweiten Polysiliziumebene
gebildet sind, werden über die Leitungen φ&sub2; bzw. φ&sub4; mit
dem Takt einer zweiten Phase verbunden.. Die
Taktsteuerung erfolgt entsprechend der schematischen
Darstellung in Fig. 3b, die bereits für die weiter oben
wiedergegebene erste Ausführungsform beschrieben wurde.
Beim Betrieb mit Zeilensprung kann die Taktsteuerung
ähnlich der in Fig. 7 schematisch dargestellten Weise
verwendet werden. Durch einen an die Taktleitung φ&sub1;
angelegten Übertragungsimpuls des ungeraden Feldes wird
Ladung von den ungerade numerierten Reihen aus
Fotorezeptoren übertragen. Anschließend wird durch die an
den Leitungen φ&sub1;, φ&sub2;, φ&sub3; und φ&sub4; anstehenden
Taktspannungen mit Impulsen, die so eingerichtet sind, daß pro
Taktzyklus die Ladungsübertragung durch zwei
nebeneinanderliegende Pixel erfolgt, die Fotoladung zum
Auslesen zu den horizontalen Schieberegistern übertragen.
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, daß die
vertikale Taktfrequenz beim Betrieb sowohl mit
Zeilensprung als auch ohne Zeilensprung gleich bleibt.
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Selbstverständlich kann jede der Leiterelektroden 140
und 170 (oder auch beide Elektroden) aus
zusammengesetzten Polysiliziumschichten bestehen, die mit einem
Metallsilicid aus der aus WSIx, MoSix, TaSix, TiSix, W,
Mo oder Ta bestehenden Gruppe bedeckt sind.
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Es ist ersichtlich, daß, obwohl die Beschreibung und
die Darstellungen zur Erfindung für eine
n-Kanal-Einrichtung wiedergegeben wurden, die Erfindung
gleichermaßen bei p-Kanal-Einrichtungen anwendbar ist, wobei
die entsprechenden Änderungen der Dotierungstypen
Fachleuten auf diesem Gebiet bereits bekannt sind.
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Standardsysteme zum Abtasten und zur Anzeige von
Videobildern arbeiten mit einem Format mit einem sogenannten
Zeilensprung für das Auslesen und die Wiedergabe von
Bildinformationen. Bei dieser Auslesesequenz mit
Zeilensprung werden erste und zweite getrennte Reihen
aus Bildelementen oder Pixeln, die ein Feld
bereitstellen, jeweils reihenweise ausgelesen. Anschließend
wird ein zweites Feld ausgelesen, das aus den
verbleibenden ersten und zweiten Pixelreihen besteht.
Diese Auslesesequenz wird anschließend mit einer
Frequenz von typischerweise 25 bis 30 Vorgängen pro
Sekunde wiederholt. CCD-Bildsensoren mit
ladungsgekoppelten Elementen sind zunehmend die bevorzugte
Einrichtung für die Bildabtastung bei Videosystemen.
Die Pixelarchitektur von CCD-Sensoren bei diesen
Anwendungen ist häufig durch eine Zwischenzeilenübertragung
gekennzeichnet. Bei elektronischen
Fotografieanwendungen können allerdings CCD-Bildsensoren mit
Zwischenzeilenübertragung, aber mit Auslesesequenz ohne
Zeilensprung erforderlich sein. Derartige Einrichtungen
lesen alle Pixelreihen nacheinander und nicht in Form
sich abwechselnder Reihen aus.
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Gemäß der Erfindung wird eine
CCD-Bildverarbeitungseinrichtung mit Zwischenzeilenübertragung ohne
Zeilensprung und mit vereinfachter Struktur beschrieben, so
daß die Herstellbarkeit verbessert ist. Die
Taktsteuerung und die Elektrodenverkabelung sind so
ausgeführt, daß die Einrichtung in Betriebsarten sowohl
mit Zeilensprung als auch ohne Zeilensprung betrieben
werden kann. Die Einrichtung verwendet
ionenimplantierte Sperrschichten oder Speicherbereiche, die
entsprechend der Beschreibung durch Losee et al. in US-
A-4,613,402 selbstausrichtend sein können, so daß eine
Einrichtung mit der Mindestanzahl von zwei
Polysiliziumelektroden, die jedem der Pixel zugeordnet
sind, erstellt wird. Durch die strukturellen
Vereinfachungen wird die lichtempfindliche Fläche maximiert,
so daß die fotografische Leistungscharakteristik
verbessert wird; und die Wahlmöglichkeit zwischen den
Auslesemodi mit Zeilensprung und ohne Zeilensprung
ergibt eine erweiterte Flexibilität des Systems sowohl
bei Videoanwendungen als auch bei elektronischen
fotografischen Stehbildanwendungen.