Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Ladungsverschiebe-Bildsensor sowie ein Verfahren zu dessen
Herstellung und insbesondere auf einen Bildsensor dieser
Bauart, der vertikale Register und ein horizontales Register
enthält, die aus ladungsgekoppelten Vorrichtungen (CCDs)
mit versenkten Kanälen bestehen.
Beschreibung des Stands der Technik
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Obwohl in den frühen 60er Jahren verschieden Vorschläge für
matrixartige Festkörper-Bildsensoren erwähnt wurden, wurde
keiner von ihnen verwirklicht. In den 70er Jahren kam es zu
einer beachtlichen Innovation bei Festkörper-Bildsensoren
aufgrund der Entwicklung der MOS-LSI-Technologie (MOS-
Hochintegration) und der Entwicklung von Ladungsverschiebe-
Vorrichtungen (CTD) sowie Ladungskopplung-Vorrichtungen
(CCD). In der Folge wurden fotoelektrische Wandlerelemente,
Ladungsspeicherelemente sowie Ladungsausleseelemente, die
entsprechend einer Anzahl von Bildelementen anzuordnen
sind, die für einen Bildsensor nötig sind, als LSI-Chips
hergestellt.
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In der 80er Jahren wurden verschiedene Merkmale von ihnen
beachtlich verbessert, wodurch sie in der Praxis verwendbar
wurden und auch verschiedene Anwendungen des Feststoff-
Bildsensors entwickelt wurden. Insbesondere war ein CCD-
Bildsensor, der ein Ladungsverschiebesystem verwendet, die
wünschenswerteste Vorrichtung, und eine Anwendung davon für
das hochauflösende Fernsehen (HDTV) wird zur Zeit
verwirklicht.
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Wie in Extended Abstracts of the 1991 Internal Conference
on Solid State Devices and Materials, Yokohama, 1991, Seite
666 bis 668, Fig. 1 und 3 offenbart wird, besteht ein CCD-
Festkörper-Bildsensor grundlegend aus einer Vielzahl
vertikaler Register aus CCDs, fotoelektrischen Wandlern, die
neben den die vertikalen Register bildenden jeweiligen
Registern angeordnet sind, Verschiebe-Ansteuerungsanschlüssen
zum Steuern der Signalladungsübertragung von den
fotoelektrischen Wandlern zu jeweiligen entsprechenden vertikalen
Registern, einem horizontalen Register, das mit einem Ende
der vertikalen Register elektrisch gekoppelt ist, und einem
Ladungsdetektor, der an einem Ende des horizontalen
Registers vorgesehen ist.
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Ein derartiger Aufbau wurde ausgeführt, indem man auf einem
Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps eine
Wannenschicht des anderen Leitfähigkeitstyps bildete, in
der Wannenschicht (well) eine eingegrabene Schicht des
ersten Leitfähigkeitstyps bildete und auf einer
Hauptoberfläche der Halbleiterschicht Verschiebungselektroden der
vertikalen Register und Verschiebungselektroden des
horizontalen Registers auf einem Ansteuerungsanschluß-Isolierfilm
bildete, der das Halbleitersubstrat abdeckt.
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Im allgemeinen besteht bei der Bauart der eingegrabenen CCD
die Tendenz, daß der maximale Betrag der Ladungsübertragung
umso größer ist, je höher die Verunreinigungsdichte der
Wannenschicht ist und je weniger tief die eingegrabene
Schicht ist, desto größer das Maximum der
Ladungsübertragung. Andererseits besteht auch die Tendenz, daß das
elek
trische Figurenfeld in der Übertragungsrichtung umso
stärker und somit die Übertragungseffizienz umso höher ist, je
geringer die Verunreinigungsdichte der Wannenschicht ist.
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Da jedoch bei dem oben erwähnten herkömmlichen Festkörper-
CCC-Bildsensor die eingegrabene Schicht und die
Wannenschicht sowohl in den vertikalen Registern als auch den
horizontalen Registern gemeinsam verwendet werden, ist es
unmöglich, eine solche Verunreinigungskonzentration
auszuwählen, daß die maximale Menge der Ladungsübertragung der
vertikalen Register beibehalten bleibt, während man die
Übertragungseffizienz des horizontalen Registers verbessert.
Daher läßt sich ein maximaler Betrag der Signalladung für
die vertikalen Register nicht erzielen, und die
Übertragungseffizienz wird für das horizontale Register
verschlechtert, was zu einer Verschlechterung der Bildqualität
führt.
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Die US-A-5063581 offenbart einen
Ladungsverschiebe-Bildsensor (CTD), der ein Halbleitersubstrat eines ersten
Leitfähigkeitstyps und ein vertikales und ein horizontales
Register aufweist, wobei jedes der Register mit einer
Wannenschicht eines entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, der in
dem Halbleitersubstrat gebildet ist, und einer
eingegrabenen Schicht des in der ersten Wannenschicht gebildeten
ersten Leitfähigkeitstyps aufgebaut ist. Die Wannenschicht
und das vertikale Register haben dabei eine
Verunreinigungskonzentration, die größer als die
Verunreinigungskonzentration der Wannenschicht des horizontalen Registers
ist.
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Außerdem wird vorgeschlagen, eine flache
n&supmin;-Verunreinigungs-Diffusionsschicht in dem horizontalen Register
vorzusehen, um zu bewirken, daß die Wanne unter dem Kanal des
horizontalen Registers leichter verarmt als diejenige des
vertikalen Registers. Mit anderen Worten ist in diesem
Dokument die n&supmin;-Schicht unter der eingegrabenen Schicht des
Horizontal-CCD vorgesehen, um dafür zu sorgen, daß die
Wanne unter dem Kanal des Horizontal-CCD leichter verarmt.
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Außerdem offenbart die EP-A-0185343 einen
Ladungsverschiebe-Bildsensor mit unterschiedlich dotierten Wannenschichten
unter dem vertikalen und dem horizontalen Register zum
Optimieren der jeweiligen Ladungsverschiebeeigenschaften.
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Die US-A-4949143 hingegen offenbart eine
Halbleitervorrichtung mit einer Halbleitervorrichtung, die ein
Halbleitersubstrat, einen an der Oberfläche des Substrats gebildeten
ersten CCD-Bereich und einen zweiten CCD-Bereich enthält,
bei dem eine Seite mit dem CCD-Bereich verbunden ist. Ein
Kanalbereich des ersten CCD-Bereichs hat ein
unterschiedliches Kanalpotential an einem hinteren Teil der
Endübertragungselektrode, die dem mit dem zweiten CCD-Bereich
verbundenen Bereich des ersten CCD-Bereichs entspricht.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung
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Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Ladungsverschiebe-Bildsensor mit einer hohen
Ladungsverschiebungseffizienz unter Beibehaltung eines weiten
dynamischen Bereichs bereitzustellen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
einen Ladungsverschiebe-Bildsensor, insbesondere vom Typ der
Bildzwischenzeilen-Verschiebung bereitzustellen, der eine
hohe Ladungsverschiebungseffizienz bereitstellen kann.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Verfahren zum Herstellen des Ladungsverschiebe-Bildsensors
der oben erwähnten Bauart bereitzustellen, durch den eine
Verschlechterung der Qualität eines wiedergegebenen Bilds
aufgrund einer unzulänglichen Ladungsverschiebung
verhindert werden kann.
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Diese Aufgaben werden durch einen Bildsensor gemäß Anspruch
1 gelöst. Der abhängige Anspruch bezieht sich auf einen
weiteren vorteilhaften Gesichtspunkt der vorliegenden
Erfindung.
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Bei dem Ladungsverschiebe-Bildsensor gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es vorzuziehen, daß die Wannenschicht, welche
das horizontale Register bildet, sich in die vertikalen
Register erstreckt, welche nicht-effektiven
Lichtempfangsbereichen entsprechen, deren Breite sich zunehmend
verringert. Eine derartige Struktur ist besonders wirkungsvoll
bei der Ladungsverschiebungsvorrichtung der
Vollbildzwischenzeilen-Bauart.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die oben erwähnte sowie weitere Aufgaben, Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher
aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung
anhand der begleitenden Zeichnung, wobei:
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Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines allgemeinen
Ladungsverschiebe-Bildsensors der Zwischenzeilen-
Bauart ist;
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Fig. 2(a) und 2(b) Schnittansichten eines horizontalen
Registers bzw. von vertikalen Registern eines
ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung sind;
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Fig. 3 eine Draufsicht eines Verbindungsabschnitts zwischen
vertikalen Registern und einem horizontalen
Register in einem zweiten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist;
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Fig. 4(a) ein Querschnitt entlang einer Linie A-A' in Fig.
3 ist und Fig. 4(b) eine
Verunreinigungsverteilung in einer Wannenschicht zeigt; und
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Fig. 5(a) bis 5(c) Schnittansichten sind, welche
Herstellungsschritte eingegrabener Schichten eines
erfindungsgemäßen Ladungsverschiebe-Bildsensors
zeigen.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
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In Fig. 1, die einen allgemeinen
Ladungsverschiebe-Bildsensor der Zwischenzeilen-Bauart zeigt, besteht die
Vorrichtung aus einer Vielzahl vertikaler Register 10 jeweils
aus CCDs, einer Vielzahl fotoelektrischer Wandler 12, die
neben jeweiligen Registern jedes vertikalen Registers in
Matrixform angeordnet sind, einer Vielzahl von Verschiebe-
Anschlüssen 13, die jeweils zwischen einem fotoelektrischen
Wandler 12 und einem entsprechenden Register der Register
angeordnet sind, die jedes vertikale Register 10 bilden, um
die Verschiebung von Signalladung von den fotoelektrischen
Wandlern 13 zu den vertikalen Registern 10 zu steuern,
einem horizontalen Register 11, das mit einem Ende der
jeweiligen vertikalen Register 10 elektrisch verbunden ist, und
einem an einem Ende des horizontalen Registers 11
vorgesehenen Ladungsdetektor 14.
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Signalladungen, die in den fotoelektrischen Wandlern 12
entsprechend den Mengen des einfallenden Lichts während
einer vorbestimmten Zeitdauer angehäuft werden, werden in den
vertikalen Registern 10 gelesen, indem entsprechende
Verschiebe-Ansteuerungsanschlüsse 13 über eine vertikale
Austastperiode hinweg eingeschaltet werden. Durch Anlegen von
Antriebsimpulsen an Überführungselektroden (nicht gezeigt)
der vertikalen Register 10 während einer horizontalen
Austastperiode werden die Signalladungen der Reihe nach
parallel entlang der vertikalen Register und daraufhin von den
letzten Überführungselektroden der vertikalen Register 10
zu dem horizontalen Register 11 verschoben. Die in dem
horizontalen Register während einer effektiven
Videobildperiode horizontal verschobene Signalladung wird durch den
Ladungsdetektor 14 in eine Spannung umgewandelt und als ein
Videobildsignal ausgegeben.
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Ein Ladungsverschiebe-Bildsensor, der für das zur Zeit
entwickelte hochauflösende Fernsehen (HDTV) verwendet werden
kann, benötigt 1,3 Millionen bis 2 Millionen Bildelemente,
was fünf- bis achtmal die Menge des NTSC-Systems ist.
Aufgrund der Verringerung der Fläche eines
Einheitsbildelements wegen der erhöhten Anzahl der Bildelemente wird der
maximale Betrag der Signalladung der vertikalen Register
verringert, weshalb der dynamische Bereich des Bildsensors
eingeschränkt ist. Außerdem ist bei einem
Festkörper-Bildsensor für das HDTV-System die horizontale
Übertragungsfrequenz etwa 25 bis 59 MHz, was zwei- bis viermal diejenige
des NTSC-Systems ist. Daher kann die Verschiebungseffizienz
verschlechtert werden.
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um derartige
technische Probleme zu lösen.
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In Fig. 2, die einen Querschnitt eines horizontalen
Registers (Fig. 2(a)) und vertikaler Register (Fig. 2(b)) eines
Ladungsverschiebe-Bildsensors gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, bestehen
das horizontale Register und die vertikalen Register aus N-
Kanal-CCDs mit eingegrabenem Kanal, die durch eine
P-Wannenschicht und eine in einem N-Siliziumsubstrat gebildete
eingegrabene N-Schicht gebildet sind.
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Das horizontale Register besteht aus einer ersten
Wannenschicht 3a, bei der die Tiefe der Verunreinigungsverteilung
groß ist und deren Verunreinigungskonzentration gering ist,
und einer in der ersten Wannenschicht 3a gebildeten ersten
eingegrabenen Schicht 2a. Indem man die
Verunreinigungskonzentration der Wannenschicht gering macht, wird das
elektrische Randfeld in Verschiebungsrichtung stärker, woraus
sich eine hohe Verschiebungseffizienz ergibt, bei der es
selbst bei einer Hochgeschwindigkeits-Ladungsverschiebung
keine Restladung geben kann.
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Andererseits enthält das vertikale Register eine zweite
Wannenschicht 3b, bei der die Tiefe der
Verunreinigungsverteilung kleiner ist und die Verunreinigungskonzentration
größer ist als bei der ersten Wannenschicht 3a des
horizontalen Registers. Die eingegrabene Schicht des vertikalen
Registers ist aus einer ersten eingegrabenen Schicht 2a
angebildet, die für das horizontale Register und eine zweite
eingegrabene Schicht 2b gemeinsam ist, die auf der ersten
eingegrabenen Schicht 2a gebildet ist, und deren
Verunreinigungsdichte größer als die der ersten eingegrabenen
Schicht 2a ist. Da die Kanalschichten der vertikalen
Register eine geringe Tiefe haben, wie oben erwähnt, wird die
maximale Menge der Verschiebungsladung pro Einheitsfläche
erhöht, wodurch es möglich wird, einen ausreichend großen
dynamischen Bereich zu haben.
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Fig. 3 ist eine Draufsicht eines Verbindungsabschnitts
zwischen vertikalen Registern und einem horizontalen Register
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung und zeigt die Struktur einer Wannenschicht in dem
Verbindungsabschnitt. In Fig. 3 bezieht sich die
Bezugsziffer 9a auf Kanäle der vertikalen Register, 1a auf
Verschiebungselektroden der vertikalen Register, 9b auf einen Kanal
des horizontalen Registers und 1b auf
Verschiebungselektroden des horizontalen Registers. Das Merkmal dieses
Ausführungsbeispiels besteht darin, daß sich die Wannenschicht 3a
des horizontalen Registers in die vertikalen Register mit
einer sich graduell verringernden Breite erstreckt.
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Wenn in Fig. 4(a) und 4(b), die einen Querschnitt entlang
einer Linie A-A' in Fig. 3 bzw. eine Verunreinigungsdichte-
Verteilung in der Wannenschicht zeigen, die Wannen des
horizontalen Registers und der vertikalen Register mit
zueinander unterschiedlichen Verunreinigungsdichte-Verteilungen
gebildet sind, ist ein Bereich L, in welchem die erste
Wannenschicht 3a des horizontalen Registers und die zweite
Wannenschicht 3b des vertikalen Registers überlappen,
weniger tief als derjenige, in welchem nur die zweite Wanne 3b
gebildet ist. Daher ist das Potential der ersten Wanne 3a
niedriger als das in der zweiten Wannenschicht 3b, wodurch
ein Potentialgradient erzeugt wird, der eine Verschiebung
entlang der Ladungsverschiebungsrichtung (von rechts nach
links auf dem Zeichungsblatt) verhindert, was zu einer
verschlechterten Ladungsverschiebungseffizienz führt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Potentialgradient
begrenzt, indem man die erste Wannenschicht 3a so
ausbildet, daß sie sich in dem Kanal 9a der vertikalen Register
um die Länge L erstreckt, während ihre Breite von der Seite
des horizontalen Registers her graduell verringert ist, wie
in Fig. 3 gezeigt. Die Länge List vorzugsweise in dem
vertikalen Register so lang wie möglich und entspricht
nichteffektiven Lichtempfangsbereichen, damit die Kenngrößen der
fotoelektrischen Wandler nicht beeinträchtigt werden. So
ist es z. B. möglich, die Länge L willkürlich einzustellen,
und zwar innerhalb der vertikalen Register zwischen den
nicht-effektiven Lichtempfangsbereichen und dem
horizontalen Register des Bildsensors nach
Zwischenzeilenverschiebung-Bauart und innerhalb der vertikalen Register in
Speicherbereichen des Bildsensors nach
Bildzwischenzeilenverschiebung-Bauart mit Bildbereichen und Speicherbereichen.
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Als Beispiel wird angenommen, daß die Verunreinigungsdichte
der ersten Wanne 3a den Wert 1 · 10¹&sup5; bis 2 · 10¹&sup5; cm³, die
Übergangstiefe den Wert 4 bis 5 um, die
Verunreinigungsdichte der zweiten Wannenschicht 3b den Wert 5 · 10¹&sup5; bis 1
· 10¹&sup6;
cm&supmin;³ und die Übergangstiefe den Wert 2 bis 3 um hat,
wobei das Potential eines Bereichs, in welchem die erste
Wannenschicht 3a und die zweite Wannenschicht 3b überlappt
sind, um etwa 0,5 V niedriger ist als dasjenige des
Bereichs, in welchem nur die zweite Wannenschicht 3b
ausgebildet ist. Wenn die Länge der Verschiebungselektrode 4 um
ist und die erste Wannenschicht 3a in dem
Verbindungsabschnitt mit gleichförmiger Breite gebildet ist, wird eine
Potentialbarriere von 0,5 V unterhalb jeder Elektrode
gebildet. Da dieser Wert größer als die thermische
elektromotorische Kraft eines Elektrons (26 mV) bei Normaltemperatur
ist, kann das Elektron durch die Barriere nicht
hindurchtreten, was zu einem Versagen der Verschiebung führt.
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Wenn andererseits die Breite der ersten Wannenschicht 3a
über eine Länge L von 100 um graduell verringert ist, wie
in Fig. 3 und 4 gezeigt, wird die Potentialdifferenz
unterhalb jeder Elektrode zu 20 mV, was noch kleiner als die
thermische elektromotorische Kraft des Elektrons ist,
weshalb es zu keinem Versagen der Verschiebung kommt. In einem
Festkörper-Bildsensor der
Zwischenzeilenverschiebung-Bauart, der für das hochauflösende Fernsehen verwendbar ist
und das Format von 1 inch hat, entspricht die Länge 100 um
einer Anzahl von 12 bis 13 Bildelementen, was ein
realisierbarer Wert ist. Im Falle eines Bildsensors der
Bildzwischenzeilenverschiebung-Bauart ist es möglich, den Wert L
größer als 100 um zu machen, wobei in diesem Fall die
Potentialdifferenz unterhalb jeder Elektrode noch weiter
verringert werden kann.
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Mit dem oben erwähnten Aufbau ist es möglich, eine
Verschlechterung der Ladungsverschiebungseffizienz in dem
Verbindungsabschnitt zwischen den vertikalen Registern und dem
horizontalen Register zu vermeiden, welche voneinander
verschiedene Wannenkonstruktionen haben.
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In Fig. 5, die Querschnitte der zweiten eingegrabenen
Schicht in dem vertikalen Register des dritten
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung entlang ihrer
Herstellungsschritte zeigt, sind die erste P-Wannenschicht 3a des
horizontalen Registers und die zweite Wannenschicht 3b der
vertikalen Register auf dem N-Halbleitersubstrat 4
gebildet, und die erste eingegrabene N-Schicht 2a, die für die
horizontalen Register gemeinsam ist, ist hierauf gebildet.
Nachdem ein Ansteuerungsanschluß-Isolationsfilm 5 auf einer
Oberfläche des Wafers ausgebildet ist, wird außerdem eine
Verschiebungselektrode 1c des vertikalen Registers
gebildet, indem man eine erste Polysiliziumschicht verwendet
(Fig. 5 (a)).
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Dann wird die von der Fläche des vertikalen Registers
verschiedene Fläche des Wafers durch einen Fotolackfilm 7
abgedeckt, und die zweite eingegrabene Schicht 2b wird in der
Fläche des vertikalen Registers durch Ioneninjektion mit
Selbstausrichtung gebildet (Fig. 5(b)). Somit wird eine
Grenze der zweiten eingegrabenen Schicht 2b mit einem Rand
der letzten Elektrode 1c ausgerichtet.
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Das Bilden der zweiten eingegrabenen Schicht 2b in
Selbstausrichtung mit der vertikalen letzten
Verschiebungselektrode auf diese Weise ermöglicht es, die Bildung einer
Potentialbarriere in der Verschiebungsrichtung unterhalb der
Verschiebungselektrode zu verhindern, wodurch es möglich
ist, das Versagen einer Ladungsverschiebung zu verhindern.
Es ist möglich, andere Materialien als Polysilizium als
Elektrodenmaterial zu verwenden.
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Wie oben erwähnt, ist es bei dem Bildsensor der
vorliegenden Erfindung möglich, die eingegrabene Schicht und die
Wannenschicht der vertikalen und horizontalen Register mit
einer optimalen Verunreinigungsverteilung für die
jeweiligen Register auszubilden. Es ist daher möglich, eine
ausreichende Menge Verschiebungsladung zuverlässig in den
ver
tikalen Registern zu halten und eine hohe
Verschiebungseffizienz in dem horizontalen Register selbst bei einer hohen
Verschiebungsfrequenz zu erzielen.
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In dem Fall, bei dem die Wannen des horizontalen und der
vertikalen Register mit zueinander unterschiedlichen
Verunreinigungsverteilungen gebildet werden, ist es außerdem
möglich, den Potentialgradienten in dem
Wannenverbindungsabschnitt zu verringern, ohne die Kenngrößen der
fotoelektrischen Wandler zu beeinträchtigen, indem man die Breite
der ersten Wannenschicht des horizontalen Registers in den
vertikalen Registern entsprechend dem nicht-effektiven
Lichtempfangsbereich graduell verringert, wodurch
ermöglicht wird, eine Verschlechterung der
Signalladung-Verschiebungseffizienz zu verhindern.
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Außerdem ist es möglich, die Bildung einer
Potentialbarriere unterhalb der Verschiebungselektrode zu verhindern,
indem man die zweite eingegrabene Schicht des vertikalen
Registers bezüglich der letzten Elektrode des vertikalen
Registers selbstausrichtend ausbildet, wodurch ermöglicht
wird, eine Verschlechterung der wiedergegebenen
Bildqualität aufgrund eines Versagens der Verschiebung von
Signalladung zu verhindern.
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Die vorliegende Erfindung wurde zwar anhand des speziellen
Ausführungsbeispiels oder der speziellen
Ausführungsbeispiele beschrieben, doch ist diese Beschreibung nicht
einschränkend aufzufassen. Verschiedene Abwandlungen des
offenbarten Ausführungsbeispiels sind für Fachleute unter
Bezugnahme auf die Beschreibung der Erfindung offensichtlich.