DE2802987A1

DE2802987A1 - Festkoerper-abbildungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2802987A1
Application number: DE19782802987
Authority: DE
Inventors: Norio Koike; Masanori Kubo; Iwao Takemoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-01-24
Filing date: 1978-01-24
Publication date: 1978-07-27
Also published as: FR2378412B1; FR2378412A1; NL7800848A; US4148048A; GB1595253A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörper-Bildabnahmevorrichtung zur Verwendung in einer Fernsehkamera etc. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung, bei welcher Bildelemente in einem 5 Oberflächenbereich eines Halbleiterkörpers angeordnet sind. Genauer richtet sie sich auf eine Festkörpervorrichtung, welche Bildelemente aufweist, bei welchen in Fotodioden gespeicherte Lichtinformation ausgelesen werden kann.

Es ist eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung bekannt, wie sie in den Figuren 1 und 2 wiedergegeben ist.

Figur 1 zeigt ein typisches Beispiel für den Aufbau einer zweidimensionalen Festkörper-Abbildungsvorrichtung. Eine Fotodiode 1 und ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor (im folgernden als "MOS-Tr" bezeichnet) 2 bilden eine Bildelement-Einheit. Im Feld der Bildelemente wird durch eine Horizontal-Abß.B£G schaltung (Horizontal-Scanner) 9 und eine Vertikal-Abfragecchaltunc (Vertical-Scanner) 10, von denen jede ein Schieberegister aus beispielsweise HOS-Tr's ist, ausgewählt. MOS-Tr's und 2 werden jeweils eingeschaltet und aufeinanderfolgend abgetastet. Durch das Abfragen werden durch Licht erzeugte und in den Fotodioden 1 gespeicherte Ladungen an einem Ausgangsanschluß 8 über Signalleitungen 5 und 6 abgeleitet, und Bildsignale, die die Bildelemente erhalten haben, werden als elektrische Signale abgenommen. Für gewisse Zwecke sind eine Anzahl von Signalleitungen 6 und Ausgangsanschlüssen 8 vorgesehen. Bei 20 ist eine Spannungsquelle für den Video-Ausgang gezeigt.

Figur 2 zeigt einen typischen Schnittaufbau des Bildelements. Im folgenden ist zur Vereinfachung der Darstellung von einer N-Kanal-Bildabnahmevorrichtung die Rede, bei welcher die Signalladungen Elektronen sind. Die folgende Erläuterung läßt sich in ganz ähnlicher Weise auch auf eine

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P-Kanal-Vorrichtung anwenden, indem einfach der Leitungstyp und die Polarität umgekehrt werden.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Bildelement ist die Fotodiode aus einem Siliciumkörper 11 aus einem p-leitenden Siliciumeinkristall und einer η-leitenden Diffusionsschicht 12 aufgebaut. Die n-Diffusionsschicht 12 dient gleichzeitig als Source, die zusammen mit einer Gate-Elektrode 13 aus beispielsweise polykristallinem Silicium, einer Siliciumdioxid (SiO₂)-Schicht 16, die unterhalb der Gate-Elektrode 13 dünn ausgebildet ist, und einer als Drain dienenden n-diffundierten Schicht 14 einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor (MOS'Tr) bildet. Die η-diffundierte Schicht 14 ist üblicherweise mit einer Elektrode 17 aus Metall, wie etwa Aluminium (Al), versehen, um ihren elektrischen Widerstand zu vermindern, wobei die Elektrode 17 als die Signalleitung 5 der Figur 1 verwendet wird. Die SiC^-Schicht ist gewöhnlich außerhalb des Bildelements verdickt (bei 16') um die Bildung einer unnötigen parasitären Kapazität zu unterdrücken.

Bei Einfall von Licht 15 werden Elektron-Lochpaare in der η-diffundierten Schicht 12 und dem Si-Körper 11 gebildet. Die Elektronen der Paare fließen als die Signa11adungen in die n-diffundierte Schicht 12 und werden in einer pn-Ubergangskapazität 18 zwischen der η-diffundierten Schicht 12 und dem Si-Körper 11 gespeichert. V/enn auf die Gate-Elektrode 13 ein positiver Abfrage impuls gegeben wird, werden die Elektronen durch die und zu der n-diffundierten Schicht (Drain) 14, die auf positivem Potential gehalten wird, gezogen und auf den Ausgangsanschluß 8 abgeleitet.

Folglich wird das Potential der η-diffundierten Schicht 12 positiv, welches abfällt, weil dje pn-Übergangskapazität 18 weiterhin durch das Licht 15 erzeugte Elektronen speichert, bis der nächste positive Abfrageimpuls angelegt wird.

Diese bekannte Festkörper-Abbildungsvorrichtung, insbesondere die ihr Herz bildende Fotodiode, beinhaltet die im folgenden beschriebenen vier strukturellen Nachteile. Dement-

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sprechend ist ungeachtet der Tatsache, daß ein enormes Bedürfnis nach einer in der Praxis gut brauchbaren Festkörper-Abbildungsvorrichtung besteht, eine solche bis jetzt nicht verwirklicht.

Das erste Problem betrifft die spektrale Ansprechverteilung bzw. die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik. Die Absorption von Licht durch Silicium hängt von der Wellenlänge ab. Die Absorptionsgrade für rotes"Licht (Wellenlänge 0,65 um), grünes Licht (0,55 um) und blaues Licht (0,45 um.) t die die Grundfarben bilden, sind in Figur 3 als R, G bzw. B bezeichnet. Das blaue Licht bei B erzeugt Elektron-Lochpaare in der Nähe der Si liciumoberflache, während das rote Licht bei R tief in das Silicium eindringt und dort Elektron-Lochpaare erzeugt. An der Oberfläche des Siliciums ist die Rekombinationswahrscheinlichkeit, durchweiche Elektron-Lochpaare vernichtet werden, hoch, und die Empfindlichkeit sinkt. Als Folge davon ist eine Silicium verwendende Fotodiode hochempfindlich nur auf rotes Licht (Licht längerer Wellenlänge). Ferner ist die Anzahl der Elektron-Lochpaare umgekehrt proportional zur Wellenlänge, bezogen auf eine identische energetische Intensität des Lichts, mit dem Ergebnis, daß die Empfindlichkeit für Licht längerer Wellenlänge noch höher wird. Damit kommt es zu einer Verzerrung der spektralen Ansprechempfindlichkeit der Fotodiode, bei welcher die Empfindlichkeit auf der langwelligen Seite höher ist. Wenn also die durch eine bekannte Abbildungsvorrichtung erhaltenen elektrischen Signale zu einem Bild reproduziert werden, wird dieses unnatürlich, insoweit als bei ihm blaue Teile eines Objekts schwärzlich und rote Teile weißlich wiedergegeben werden.

Das zweite Problem betrifft das Auftreffen intensiven einfallenden Lichts. Obwohl die Kapazität 18 des Übergangs in Figur 2 natürlich gesättigt ist, wenn das Licht 15 intensiv ist, wird eine große Anzahl von Elektron-Lochpaaren selbst in einem tiefen Teil des Siliciumkörpers 11 erzeugt, wie dies in Figur 3 dargestellt ist. Von den Elektron-Lochpaaren, laufen die Elektronen, die die Minoritätsträger sind,

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nicht immer zu der zugehörigen n-diffundierten Schicht, sondern diffundieren auch in seitliche Richtung und werden in die angrenzende n-diffundierte Schicht injiziert. Als Folge davon verteilt sich das optische Signal auf viele BiIdelemente. Durch diese Verteilung leidet nicht nur die Auflösung sondern es erscheint darüber hinaus auch ein großer heller Bereich im reproduzierten Bild, so daß dieses verdorben ist (dieses Phänomen wird als "Blooming" bezeichnet). Bei bekannten Vorrichtungen, einschließlich verschiedener Typen von Abbildungsvorrichtungen, beispielsweise bei einer solchen, die Ladungstransfervorrichtungen (ladungsgekoppelte Vorrichtungen usw.) im Abfrage system verwendet, tritt das Phänomen in auffälliger Weise auf.

Das dritte Problem betrifft die Gleichförmigkeit der Vorrichtungscharakteristik. Gewöhnlich beträgt die räumliche Schwankung der Fremdstoffkonzentration des Siliciumkörpers 10 % oder mehr. Diese Ungleichförmigkeit wird dem Herstellungsverfahren für den Siliciumeinkristall zugeschrieben. Ein Herabdrücken der Schwankung auf einen kleinen Wert bedeutet, daß der Siliciumkörper 11 sehr teuer wird.

Die Ungleichförmigkeit der Fremdstoffkonzentration des Siliciumkörpers 11 verursacht eine Ungleichförmigkeit der pn-Übergangskapazitäten 18 und eine Ungleichförmigkeit der Arbeitscharakteristiken der MOS-Tr's und bildet die Ursache für eine auffällige Verschlechterung der Qualität des reproduzierten Bilds.

Das vierte Problem besteht darin, daß das einzelne Bildelement zur Verbesserung der Auflösung klein gemacht werden muß, wodurch unvermeidbar die Fläche der n-diffundierten Schicht 12 klein wird. Als Folge davon wird die Kapazität 18 des Übergangs klein, und es kommt zu einer Verminderung der Menge der Elektronen, d.h., der Signalladungen, die gespeichert werden können. Insbesondere wird die Fläche der n-diffundierten Schicht 14, von welcher die Signalladungen abgenommen werden, im äußerst möglichen Maß klein gemacht, unabhängig von der Größe des Bildelements, und indem sie die

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Beanspruchung trägt, wird die n-diffundierte Schicht 12 weiter nennenswert verkleinert. Ferner steigt die Anzahl der mit der Signalleitung 5 in Figur 1 zu verbindenden ndiffundierten Schichten 14 mit der Anzahl der Bildelemente, und Jede n-diffundierte Schicht 14 hat eine Übergangskapazität 19 (Figur 2), so daß mit den Ubergangskapazitäten kombiniert mit parasitären Kapazitäten der Signalleitungen 5 und eine große Kapazität entsteht. Als Folge davon ist das am Ausgangsanschluß 8 erscheinende elektrische Signal sehr klein, geht im elektrischen Rauschen unter und läßt sich nicht nachweisen. Mit der gegenwärtigen Technologie läßt sich daher eine Auflösung, die der eines Fernsehbilds gleich kommt, nicht erreichen.

Gewöhnlich läßt sich dieses Problem lösen, wenn die Übergangskapazität 18 ungefähr um eine Größenordnung erhöht wird. Die Übergangskapazität 18 wird durch Anheben der Fremdstoffkonzentration des Siliciumkörpers 11 vergrößert. Da jedoch gleichzeitig die Übergangskapazität I9 zunimmt, ist diese Methode unvollkommen.

Infolge der beschriebenen Probleme ermangelt es der bekannten Abbildungsvorrichtung an Auflösung, und ihre Arbeitsbedingungen sind extrem beschränkt, so daß der praktische Einsatz behindert ist.

Unter den oben genannten Problemen läßt sich die Ungleichheit im spektralen Ansprechen gleichwohl kompensieren, indem ein Vorfilter verwendet wird, welches das Licht längerer Wellenlänge absorbiert. Die schlechte,Auflösung.für Licht längerer Wellenlänge und das Auftreten des "Blooming"-Effekts sind jedoch unvermeidbar, so daß diese zu ernsten Faktoren werden, die eine praktische Verwendung verhindern. Bei einer monolithischen Festkörper-Farbabbildungsvorrichtung, die auf einem Verfahren basiert, bei welchem in Form eines Mosaiks angeordnete Filter über eine einzelne Abbildungsvorrichtung gelegt werden, tritt ein neues zu lösendes Problem auf, das darin besteht, daß eine sogenannte Farbmischung entsteht, bei welchem Photoelektronen, die durch auf eine Diode für rotes Licht

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einfallendes Licht erzeugt worden sind, in eine angrenzende Diode für Licht einer anderen Farbe fließen, wodurch Farbinformationen herauszuführender elektrischer Signale gemischt werden.

Die Erfindung verbessert die oben beschriebene bekannte Festkörper-Abbildungsvorrichtung.

Die Erfindung schafft eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung, bei welcher eine Auflösungsverschlechterung vermieden ist, die auf die Verteilung eines auf ein einzelnes Bildelement einfallenden optischen Signals zurückgeht.

Ferner schafft die Erfindung eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung, welche eine Einrichtung zur Unterdrückung des dem Einfall intensiven Lichts zuschreibbaren Blooming aufweist.

Ferner schafft die Erfindung eine Vergrößerung der Signa1-ladungskapazität einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung und eine Verbesserung ihrer spektralen Ansprechverteilung.

Zusammenfassend, verwirklicht die Erfindung eine praktisch anwendbare Festkörper-Abbildungsvorrichtung hoher Bildqualität und Auflösung.

Bei der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist in einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats eines bestimmten Leitungstyps eine Halbleiterschicht mit zu dem des Substrats entgegengesetztem Leitungstyp ausgebildet (es wird eine epitaxial gezogene Schicht auf dem Substrat ausgebildet, oder es wird eine normalerweise "Trog" (engl. "well") genannte diffundierte Schicht ausgebildet, indem in einem Substratoberflächenbereich ein Fremd- bzw..Störstoff eingeführt und eindiffundiert wird), und eine Anzahl von fotoelektrischen Elementen, die Bildelemente bilden und von denen jedes aus einer Fotodiode und einem Schalttransistor besteht, wird in der Halbleiterschicht angeordnet bzw. ausgebildet. Bei der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung zum Sperrvorspannen eines pn-Ubergangs, der durch das Halbleitersubstrat und die Halbleiterschicht gebildet ist, vorgesehen, und die die Bildelemente bildenden fotoelektrischen Elemente werden durch eine im Halbleitersubstrat oder der Halbleiterschicht angeordnete

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Abfrageschaltung aufeinanderfolgend abgefraft, wobei die in den Fotodioden gespeicherten Signale ausgelesen werden.

Gemäß einer Ausgestaltung der Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach der Erfindung ist ein hochdotierter Bereich des gleichen Leitungstyps wie desjenigen der Halbleiterschicht uita^ v*n5gstens einem Teil der in der Halbleiterschicht angeordneten Fotodiode ausgebildet. Das Vorhandensein des hochdotierten Bereichs fördert die Verbesserung der Auflösung und die Verminderung des Blooming der erfindungsgemäßen Festkörper-Abbildungsvorrichtung weiter, und die Signalkapazität steigt.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung im einzelnen beschrieben. Auf dieser ist bzw. sind Figur 1, die bereits erwähnt wurde, eine schematische Darstellung, die den allgemeinen Aufbau einer bekannten Festkörper-Abbildungsvorrichtung zeigt,

Figur 2, die ebenfalls bereits erwähnt wurde, eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Bildelements (fotoelektrischen Elements) der bekannten Festkörper-Abbildungsvorrichtung zeigt,

Figur 3, die ebenfalls bereits erwähnt wurde, eine grafische Darstellung, die die Absorptionscharakteristik von Silicium für Licht der drei Grundfarben zeigt, Figur 4 eine Schnittansicht, die den Schnittaufbau eines Bildelements in einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Figuren 5A, 5B und 5C sowie Figuren 6A, 6B und 6C Darstellungen, die die Wirkungen des Bildelements der Figur 4 auf die Auflösung und das Blooming veranschaulichen, wobei die Figuren 5A und 6A Schnittansichten des Bildelements sind, während die Figuren 5B, 5C, 6B und 6C grafische Darstellungen sind, die die Potentialverhältnisse an verschiedenen Stellen des Bildelements wiedergeben,

Figur 7 eine Darstellung, aus der das Herstellungsverfahren

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des Bildelements der Figur 4 in der Reihenfolge der Schritte A, B, C, D, E und F hervorgeht, und die Schnittansichten eines Siliciumsubstrats in den verschiedenen Verfahrensschritten zeigt, Figur 8 eine Darstellung, aus der das Herstellungsverfahren für ein Bildelement einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in der Reihenfolge der Schritte A, B und C hervorgeht, und die Schnittansichten einer Vorrichtung (Siliciumsubstrat) in den verschiedenen Verfahrensschritten zeigt,

Figur 9 eine Schnittansicht, die den Aufbau eines Bildelements gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Figur 10 eine grafische Darstellung,die eine Potentialkurve für Elektronen, genommen längs Linie A-A' in Figur 9, zeigt,

Figuren 11, 12, 13A, 13B und 13C Darstellungen zur Veranschaulichung d^r Wirkungen des Bildelements der Figur 9 auf die Auflösung und das Blooming, wobei die Figuren 11 und 12 Schnittansichten des Bildelements sind,

während die Figuren 13A, 13B und 13C grafische Darstellungen bilden, die die Potentialverhältnisse an verschiedenen Stellen des Bildelements zeigen. Figur 14 eine Darstellung, aus der das Herstellungsverfahren für das Bildelement der Figur 9 in der Reihenfolge

der Schritte A, B, C und D hervorgeht und die Schnittansichten eines Siliciumsubstrats in den verschiedenen Verfahrensschritten zeigt, Figur 15 eine Darstellung, aus der das Herstellungsverfahren für ein Biidelement gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung in der Reihenfolge der Verfahrensschritte A und B hervorgeht und die Schnittansichten eines Siliciumsubstrats in den einzelnen Verfahrensschritten zeigt,

Figur 16a eine Darstellung einer fünften Ausführungsform der Erfindung, in einer Draufsicht, die das Layout

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von dem Bildelement einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung zeigt, und
Figur 16B ein Schnitt längs Linie 164-164' in Figur 16A.

Das Prinzip der Erfindung wird nun im Vergleich mit dem Stand der Technik erläutert.

Im Prinzip hat die Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung den in Figur 1 gezeigten Aufbau. Das heißt, die Hauptbestandteile sind Bildelemente, von denen jedes aus einer Fotodiode 1 und einem MOS¹Tr 2 als Schaltelement auf-ο gebaut ist^ und Horizontal- und Vertikal-Abfrageschaltungen 9 und 10, welche aus Schieberegistern bestehen, die aus beispielsweise MOS'Tr¹s aufgebaut sind, und welche (X,Y)-Koordinaten des Bildelements auswählen.

Abhängig von einem System zur Abnahme von AusgangsSigna-5 len sind Horizontal-Schalttransistoren zur Auswahl von X-Stellungen, die aus MOS¹Tr's ausgebildet sind, wie. in Figur 1 angeordnet. Natürlich sind in einigen Fällen Abfrageleitungen 4 mit der Vertikalabfrage schaltung über Vertikal-Scnalttransistoren zur Auswahl von Y-Stellungen gekoppelt.

Die Grundzüge der Erfindung lassen sich jedoch auch auf Abwandlungen und Verbesserungen eines Aufbaus anwenden, welcher eine Einrichtung zur Auswahl von (X, Y)-Koordinaten von Bildelementen, die jeweils aus einer Fotodiode und einem Schaltelement bestehen, umfaßt, um damit ein (X, Y)-Koordinatenauswahlsignal auf diese zu geben, und bei welchem die Bildelemente zum Auslesen optischer Signale aufeinanderfolgend abgefragt werden. Beispielsweise können mehrere Schalttransistoren für jedes Bildelement vorgesehen sein. Die Verbesserung der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung gegenüber der bekannten Vorrichtung liegt in der Verbesserung eines fotoelektrischen iilements, das als Bildelement dient.

Was den Aufbau von Horizontal- und Vertikal-Abfrageschaltungen zur Auswahl der (X, Y)-Koordinaten der Bildelemente anbelangt, so sind verschiedene bekannt. Sie sind im einzelnen beispielsweise in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 50-28127, der japanischen Patentanmel-

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dungsveröffentlichung Nr 44-25542 und in IEEE, Band SC-4 Nr. 6, 1969, S.G. Chamberlain et al., S. 333 ff beschrieben. Da sie sich als Abfrageschaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwenden lassen, wird hier keine ins einzelne gehende Beschreibung vorgenommen.
Ausführungsform 1 :

Figur 4 zeigt den Schnittaufbau eines einzelnen Bildelementr in einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung. In einem Silicium (Si)-Substrat 21 des n-Leitungstyps ist ein diffundierter Bereich 25 des p-Leitungstyps als Trog ausgebildet. Mit dem Trog 25 als Siliciumkörper 11 des bekannten Aufbaus (Figur 2) betrachtet, ist ein Bildelement ausgebildet, welches aus einer eine Fotodiode bildenden η-leitenden Diffusionsschicht 22, einer als Drain dienenden n-leitenden Diffusionsschicht 23 und einer Gate-Elektrode 24 besteht.

Der Trog 25 ist bezüglich des Siliciumsubstrats 21 über eine p⁺-diffundierte Schicht 30 zur Herstellung eines ohm'schen Kontakts und eine Elektrode 28 aus leitfähigem Material, wie etwa Aluminium (Al), durch eine Spannungsquelle 29 sperrvorgespannt. Die p⁺-diffundierte Schicht 30 kann durch eine η-diffundierte Schicht ersetzt sein. Da es für den Übergang zwischen der diffundierten Schicht und dem Trog 25 zu einer Polung in Vorwärtsrichtung kommt, kann eine vorbe-.

timmte Vorspannung angelegt werden.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 5A, 5B, 5C, 6A, 6B und 6C werden nun die Auswirkungen der Erfindung insbesondere auf die Auflösung und das Blooming im einzelnen beschrieben. Figur 5A ist eine schematische Schnittansicht von zwei n-diffundierten Schichten 51 und 52, die aneinander grenzende Fotodioden bilden, sowie von deren Umgebung. Die Figuren 5B und 5C stellen die Potentialbeziehungen zwischen sechs Punkten G-L dar, die als typische Punkte in Figur 5A ausgewählt worden sind.

Es wird nun der Einfluß von Lichteinfall auf die ndiffundierte Schicht 51 erläutert.

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Wegen der Sperrvorspannung, die zwischen dem p-leitenden Trog 25 und dem η-leitenden Siliciumsubstrat 21 durch die Spannungsqulle 29 angelegt ist, werden Fotoelektronen, die an einem Signal teilnehmen, nur innerhalb eines dünnen Trogs unter der η-diffundierten Schicht 51 erzeugt. Elektronen sind Majoritätsträger innerhalb des Siliciumsubstrats 21. Wie sich aus Figur 5B ergibt, können die beispielsweise im Punkt I des Siliciumsubstrats 21 erzeugten Elektronen eine hohe Barriere infolge des Trogs nicht überschreiten und weder an den Punkt G noch an den Punkt J gelangen. Da der Trog 53 unter der ndiffundierten Schicht 51 dünn ist, wirkt ein elektrisches Feld von der η-diffundierten Schicht 51 als elektrisches Driftfeld auf die hier erzeugten Fotoelektronen, und die Wahrscheinlichkeit, mit der die Fotoelektronen in die n-diffundierte Schicht 52 diffundieren, ist sehr niedrig. Ferner wirkt ein elektrisches Driftfeld vom Siliciumsubstrat 21, und daher fließen die Fotoelektronen, die sich nicht zur n-diffundierten Schicht 51 bewegen, in das Siliciumsubstrat 21 heraus und wandern nicht zir n-diffundierten Schicht 52. Dementsprechend wird nicht nur der spektrale Gang der Festkörper-Abbildungsvorrichtung, die das Siliciumsubstrat mit nur für langwelliges Licht hoher Empfindlichkeit verwendet, korrigiert, sondern ebenso kann die Auflösungsverschlechterung, die dem Signalauslaufen in angrenzende Bildelemente zuschreibbar ist, beseitigt werden.

Die Erfindung zeigt außerdem eine bemerkenswerte Auswirkung auf das dem Einfall intensiven Lichts zuzuschreibende Blooming. Das Potential der n-diffundierten Schicht 51 steigt infolge des intensiven einfallenden Lichts, wie zu Potentialkurven 54 in den Figuren 5B und 5C, und es findet eine Injektion von Überschußelektronen in den Trog 25 statt. Die meisten der injizierten Elektronen fließen jedoch über den dünnen Trog 53, der unter der n-diffundierten Schicht 51 sitzt, in das Siliciumsubstrat 21 ab. Ferner vermindert unter der kleinen Anzahl von Elektronen 56, die sich in Richtung auf die n-diffundier.te Schicht 52 fortbewegt haben,

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eine Komponente in Richtung auf den Punkt L innerhalb des Siliciumsubstrats 21 diese innerhalb des dazwischen liegenden Trogs 25» beispielsweise im Punkt K (über eine Potentialkurve 55\ weiter. Deshalb können nur sehr wenige Elektronen die n-diffundierte Schicht 52 erreichen.

Wenn ferner die Sperrvorspannung zwischen dem Siliciurasubstrat 21 und dem Trog 25 mit Hilfe der Spannungsquelle 29 ausreichend groß gemacht wird, verarmt der Trog 53 zwischen der n-diffundierten Schicht 51 und dem Siliciumsubstrat 21. Daher wird die Barriere selbst zwischen den Punkten G und I erniedrigt, der Potentialanstieg der n-diffundierten Schicht 51 ist begrenzt und die Injektion selbst von Elektronen in den Trog (gefolgt von der Injektion in die n-diffundierte Schicht 52) kann eingedämmt werden.

Damit läßt sich das Blooming zwischen den einzelnen Fotodioden vollkommen verhindern.

Figur 6A zeigt einen schematischen Schnitt einer Fotodiode und eines MOS-Transistors, die ein einzelnes Bildelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden. Sechs Punkte M,N, P, Q, R und S sind als typische Punkte der Figur ausgewählt und die Potentialbeziehungen zwischen ihnen in den Figuren 6B und 6C dargestellt.

Ganz ähnlich zum vorstehenden Fall angrenzender Fotodioden fließen Elektronen von innerhalb des Siliciumsubstrats 21 und des Trogs 25 nicht in die als Drain dienende n-diffundierte Schicht 23- Ferner kann durch Großmachen der Sperrvorspannung zwischen dem Siliciumsubstrat 21 und dem Trog 25 mit Hilfe der Spannungsquelle 29 die Injektion selbst von Elektronen aus der η-diffundierten Schicht 22 eingedämmt werden. Es ist möglich, das Blooming in Form einer vertikalen Linie vollständig zu verhindern.

V/enn die Abi'r η ge schaltung zur Erzeugung einer auf die Gate-Klektrode 24 zu legenden Spannung vom Trog 25 des Bildelements unabhängig gemacht wird, ist es möglich, das Verftiltnis von Spannungen zwischen dem Trog 25 und der Gate-Elektrode 24 beliebig zu wählen und das Potential, unter der Gate-Elektrode 24 kann zu einem erwünschteren hohen Zustand

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(flaches Band oder Anreicherungsniveau) in Übereinstimmung mit der Vorspannung der Spannungsquelle 29 gemacht werden. Konkret kann die Vertikal-Abtastschaltung auf dem Siliciumsubstrat 21 durch p-Kanal-MOS-Tr's ausgebildet sein oder sie kann in einem vom Trog 25 des Bildelements getrennten Trog durch n-Kanal-MOS-Tr's ausgebildet sein.

Herkömmliche zusätzliche Verbesserungsmaßnahmen, wie die Bildung einer isolierenden p-diffundierten Schicht unter einem Feldoxidfilm 26' und die Bildung einer dünnen p-diffundierten Schicht unter der Gate-Elektrode 24 zum Zwecke der Regulierung einer Schwellenspannung kann die Diffusionskomponente von Elektronen innerhalb des Trogs vollkommen besei· tigen. Daher haben sie gleichwertige oder größere Wirkungen. Indem die Spannungsquelle 29, wie in Fig. 5A oder Figur 6A gezeigt, veränderbar gemacht wird, ist eine elektronische Steuerung der Empfindlichkeit möglich.

Die Fremdstoffkonzentration und die Dicke des p-Trogs 25 können beliebig ausgewählt werden, abhängig von den gewünschten Werten für die Übergangskapazitäten zwischen dem p-Trog 25 und den n-diffundierten Schichten 22 und 23, einer gewünschten spektralen Ansprechverteilung und den Werten der zu verwendenden Sperrvorspannung. Die Übergangskapazität ist im wesentlichen der Quadratwurzel der Fremdstoffkonzentration des Trogs proportional. Bei dünnerem Trog kann die Empfindlichkeit für längerwelliges Licht leichter eingedämmt werden. Der Wert der Sperrvorspannung wächst im wesentlichen proportional zum Produkt des.Quadrats der Fremdstoffkonzentration (und der Dicke).

Biespielsweise ist in einem Fall, wo die Fremdstoffkonzentration des Trogs 1*10 /cm , seine Dicke 4 um und die Fremdstoffkonzentration des Siliciumsubstrats 21 1 · 10 -Ycnr ist, die spektrale Ansprechverteilung bei einer Sperrvorspannung von 10 V grob abgeflacht und Blooming tritt nicht einmal für Licht auf, das tausendmal stärker als die Sättigungslichtmenge der Übergangskapazität ist.

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Wie oben ausgeführt, kann die Abfragschaltung entweder P-Kanal- oder N-Kanal-MOS-Transistoren verwenden. Beide Typen kanal auf dem gleichen Siliciumsubstrat 21 ausgebildet sein. Wenn der MOS-Tr auf dem Siliciumsubstrat 21 zusammen mit der p⁺- diffundierten Schicht 30 ausgebildet wird, erhält man einen P-Kanal-Transistor. Wenn der MOS-Tr auf dem Trog 25 oder einem davon getrennten Trog aus einer p-diffundierten Schicht mittels des gleichen Verfahrens wie desjenigen des Bildelements ausgebildet wird, erhält man einen N-Kanal-Transistor. Dementsprechend enthält die Abfrageschaltung insoweit keinen Punkt, auf den besonders geachtet werden müßte, und in der folgenden Beschreibung des Herstellungsverfahrens wird daher nur auf das Bildelement eingegangen.

Figur 7 zeigt ein Beispiel für das Herstellungsverfahren der in Figur 4 gezeigten Vorrichtung.

A: Sin Substrat 21 aus Siliciumeinkristall mit einer

-ic ~z.

n-Fremdstoffkonzentration von ungefähr 10 /cm wird zur Bildung eines Siliciumdioxid (SiO₂)-Films ^ ^m^ ^e^-^ner Dicke von ungefähr 0,5 um thermisch oxidiert. Nachfolgend wird der SiO2~Film 42 mit einer Öffnung eines bestimmten Musters, entsprechend dem Trog, versehen, und Bor-Ionen (B ) 41 werden zur Bildung einer ionenimplantierten Schicht 43 implantiert. Die Implantationsenergie beträgt beispielsweise

1 50 keV und die implantierte Menge ist beispielsweise 4 · 10 / cm².

B: Bor in der ionenimplantierten Schicht 43 wird zur Bildung eines p-Trogs 25 mit einer Dicke von ungefähr 4 (■% thermisch diffundiert. Nachfolgend wird der SiO₂-FiIm 42 entfernt oder die thermische Oxidation kontinuierlich ausgeführt, um einen SiOo-FiIm 26' mit einer Dicke von ungefähr 1 um zu bilden, und Öffnungen werden in einem Trarisistorteil 44 und einem Kontaktteil 45 des Trogs 25 vorgesehen. Nachfolgend wird ein Gate-Isolationsfilm 26 mit einer Dicke von ungefähr 0,1 .jm durch einen thermischen Oxidationsprozeß ausgebildet.

C: Durch thermische Zersetzung von Monosilan (SiH^) wird eine polikristalline Siliciumschicht mit einer Dicke

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von ungefähr 0,5 um ausgebildet. Es wird eine Gate-Elektrode

24 ausgebildet, indem die polykristalline Silciumschicht einer selektiven Ätzung unterworfen wird. Nachfolgend wird mit der Gate-Elektrode 24 als Maske der Gate-Isolationsfilm außer unter der Gate-Elektrode 24 geätzt und entfernt.

D: Der Kontaktteil 45 des Trogs 25 wird mit Resist 46 abgedeckt, und Phosphorionen (P⁺) 47 werden zur Bildung einer P⁺-implantierten Schicht 48 implantiert. Das Resist 46 kann durch Phosphorsilikatglas (PSG), welches hochdotierten Phosphor enthält und leicht aufzulösen ist, Borsilikatglas (BSG) usw. ersetzt sein. In diesem Fall kann thermische Abscheidung an die Stelle der Ionenimplantation treten.

E: In gleicher Weise wie bei Schritt D wird die P⁺- implantierte schicht 48 mit Resist abgedeckt, Bor implantiert und eine thermische Diffusion durchgeführt, um n-diffundierte Schichten 22 und 23 und eine p⁺-diffundierte Schicht 30 auszubilden. Nachfolgend wird ein PSG-FiIm 49 mit einer Dicke von 0,5 um ausgebildet.

F: Im PSG-FiIm 49 werden Öffnungen in einem bestimmten Muster für eine Signalleitung und für den Kontakt des Troges

25 vorgesehen, ein leitfähiges Material, wie Aluminium (Al), mit einer Dicke von ungefähr 1 um wird aufgedampft und zu einem bestimmten Verdrahtungsmuster selektiv geätzt, um so die Signalleitung 27 und eine Elektrode 28 zum Anlegen einer Sperrvorspannung auszubilden.

Die p⁺-diffundierte Schicht 30 kann durch eine ^-diffundierte Schicht ersetzt sein. Der Grund dafür besteht darin, daß, weil die Sperrvorspannung zwischen dem Trog 25 und dem Siliciumsubstrat 21 im Betrieb angelegt wird, der Übergang zwischen der n⁺-diffundierten Schicht und dem Trog 25 beim Anlegen einer negativen Spannung an die Elektrode 28 in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, so daß der Zweck erreicht wird. In diesem Fall ist es möglich, das Abdecken des Kontaktteils 25 mit Resist im Verfahrensschritt D abzuschaffen und die Ionenimplantation von Bor im Verfahrensschritt E wegzulassen, so daß sich das Verfahren vereinfachen läßt.

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Bei dieser Ausführungsform unterscheiden sich die Verfahrensschritte nach dem Bilden des Trogs 46 im 'Verfahrensschritt B nicht besonders von den herkömmlichen Techniken zur Herstellung von integrierten Schaltungen mit N-Kanal-MOS-Transistoren oder von integrierten Schaltungen mit komplementären MOS-Transistoren und die Herstellung läßt sich leicht durchführen.
Ausführungsform 2;

Figur 8 gibt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wieder und zeigt Schnitte eines Bildelements in der Reihenfolge von Herstellungsschritten A, B und C.

A: Auf der Oberfläche eines Substrats 21 aus einem

Siliciumeinkristall mit einer n-Frendstoffkonzentration von

16 ~*i
beispielsweise ungefähr 10 /cnr wird eine p-Siliciumschicht 80, welche ungefähr 10 ^/cur an Bor als Fremdstoff enthält und eine Dicke von ungefähr 4 um hat, durch ein epitaxiales Ziehverfahren ausgebildet. Nachfolgend wird ein Siliciumdioxid (SiO₂)-Film 81 mit einer Dicke von ungefähr 1 um

durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder thermische Oxidation ausgebildet und eine öffnung 82 für eine Diffusion vorgesehen.

B: Phosphor wird .durch die Öffnung 82 zur Bildung einer n-diffundierten Schicht 83, die bis an das Siliciumsubstrat 21 reicht, thermisch diffundiert. Die n-diffundierte Schicht 83 teilt die p-Siliciumschicht 80 zur Bildung eines Trogs 84, der gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert ist..Als nächstes wird der SiOp-FiIm 81 entfernt.

C: Danach werden die Verfahrensschritte nach dem Schritt B in der vorangehenden Ausführungsform (Figur 7) ganz ähnlich angepaßt (detallierte Beschreibung weggelassen),, Damit ist die Vorrichtung nach der Erfindung erhalten. Ausführungsform 3:

Figur 9 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform der Erfindung und zeigt ein Bildelement im Schnitt. In der Oberfläche eines n-Siliciumsubstrats 21 ist eine p-Schicht 25

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ausgebildet. Mit der p-Schicht 25 als Siliciumkörper 11 des bekannten Aufbaus (Figur 2) betrachtet, wird damit ein Bildelement ausgebildet, welches aus einer eine Fotodiode bildenden n-diffundierten Schicht 22, einer als Drain dienenden η-diffundierten Schicht 23 und einer Gate-Elektrode 24 besteht. Ferner ist ein hochdotierter p⁺-Bereich 90 eines p-Fremdstoffes, beispielsweise von Bor (B), unter der n-dif fundierte η Schicht 22 angeordnet.

Die p-Schicht 25 ist bezüglich des Siliciumsubstrats 21 über eine Elektrode 28 aus leitfähigem Material, wie etwa Aluminium (Al), mit Hilfe einer Spannungsquelle 29 sperrvorgespannt.

Durch einen solchen Aufbau und die Art seiner Verwendung lassen sich alle Probleme bekannter Vorrichtungen lösen. Im folgenden v/erden diese aufeinanderfolgend beschrieben.

Die Übergangskapazität wird grob durch die Fremdstoffkonzentration des p⁺-Bereichs 90 bestimmt und ist im wesentlichen proportional dem Quadrat der Fremdstoffkonzentration. Bislang wurde im Hinblick auf die kombinierten Anforderungen hinsichtlich Gleichförmigkeit der Schwellenspannungen der

MOS-Tr, der Signalkapazitäten usw. ein Wert von ungefähr 1 R ^

1-10 /cm für die Fremdstoffkonzentration des p-Siliciumkörpers 11 (Figur 2) angenommen. Wenn die Fremdstoffkon-

4- 1 7 "*i

zentration des ρ -Bereichs 90 zu ungefähr 1*10 /cm gemacht wird, erhöht sich die Übergangskapazität oder Signalkapazität ungefähr um eine Größenordnung.

Anders als beim Stand der Technik wird die Fremdstoffkonzentration der p-Schicht 25 im wesentlichen beziehungslos zur Signalkapazität, so daß der Grund, sie hoch zu machen, entfällt. Das heißt, die Übergangskapazität der n-diffundierten Schicht 23, die als parasitäre Kapazität der Signalleitung wirkt, kann klein gemacht werden, indem die Fremdstoffkonzentration der p-Schicht 25 niedrig gemacht wird.

Ferner werden die Ubergangskapazität und die Arbeitscharakteristik des MOS-Feldeffekttransistors durch die Fremdstoffkonzentrationen des p⁺-Bereichs 90 und der p-Schicht 25

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bestimmt, und diese werden kaum durch Ungleichförmigkeiten im Siliciumsubstrat 21 beeinflußt. Im Ergebnis ist die Gleichförmigkeit hinsichtlich der Vorrichtungscharakteristik merklich verbessert.
Die Erfindung hat auch merkliche Wirkungen auf die spektrale Ansprechverteilung, die auf Licht längerer Wellenlänge zuzuschreibende Auflösungsverschlechterung und das Blooming.

Figur 10 zeigt eine Potentialkurve 36 für Elektronen, die längs Linie A-A¹ in Figur 9 genommen ist. In Figur 10 entspricht ein Bereich 32 der n-diffundierten Schicht 22, ein Bereich 35 dem p⁺-Bereich 90, ein Bereich 31 dem Siliciumsubstrat 21 und Bereiche 33 und 34 Verarmungsschichten in den jeweiligen pn-Übergängen. Wie sich aus der Figur ergibt, 5 verschieben sich innerhalb des Gipfels 39 der Potentialkurve erzeugte Elektronen zum Siliciumsubstrat 21 und werden ausgeschlossen, wie dies durch Pfeil 37 angedeutet ist. Die Lage des Gipfels 39 ist die Mitte des p⁺-Bereichs 90 in einem Fall, wo die Fremdstoffkonzentration des p⁺-Bereichs 90 gleichförmig und die Potentiale an seinen beiden Seiten gleich sind. Sie bewegt sich nach einer höheren Seite in einem Fall, wo ein Gradient der Fremdstoffdichte vorliegt oder wo die Potentiale auf den beiden Seiten unterschiedlich sind.

Infolgedessen werden nur die an einer tiefen Stelle durch längerwelliges Licht erzeugten Elektronen entfernt, und die spektrale Ansprechverteilung läßt-sich in eine wünschenswerte Form bringen, indem die Lage des Gipfels geeignet gewählt wird. Gleichzeitig fließen die an einer tiefen Stelle erzeugten Elektronen nicht in die angrenzenden Bildelemente, so daß eine Auflösungsverschlechterung nicht erfolgt. Darüber hinaus wird selbst bei hoher Intensität des einfallenden Lichts nur der pn-übergang gesättigt, d.h. das Potential des Bereichs 32 wird gleich demjenigen des Bereichs 35. Die überschüssigen Elektronen fließen nicht in die angrenzenden Bildelemente und ein Ausfließen in den Bereich 31 bzw. das Siliciumsubstrat 21 ist ausgeschlossen.

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Infolgedessen tritt Blooming nicht auf.

Im folgenden wird der Vorgang

der Auflösungsverbesserung und des Ausschließens von Blooming unter Bezug auf das Bildelement dieser Ausführungsform beschrieben.

Figur 11 ist eine schenatische Schnittansicht zweier η-diffundierten Schichten 22 und 22¹, die angrenzende Fotodioden bilden, sowie ihrer Umgebung, während Figur 12 eine schematische Schnittansicht einer Fotodiode und eines MOS-Tr, die ein einzelnes Bildelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden, ist.

Die Punkte G-Q sind als typische Punkte in den Figuren 11 und 12 ausgewählt und die Beziehungen zwischen Potentialen dieser Punkte sind in den Figuren 13A bis 13C wiedergegeben.

Im Siliciumsubstrat 21 erzeugte Ei ektronen sind hier Majoritätsträger und können wegen der Sperrvorspannung, die zwischen der p-Schicht 25 und dem Siliciumsubstrat 21 durch die Spannungsquelle 29 angelegt ist, nicht in die p-Schicht 25 eintreten. Natürlich können sie weder in die n-diffundierte Schicht 22 noch in die n-diffundierte Schicht 22^f fließen. Beispielsweise werden die im Punkt I erzeugten Elektronen hohen Potentialbarrieren gegen den Punkt G und auch gegen den Punkt J, wie dies aus Figur 13A ersichtlich ist, unterworfen. Sie können diese Barrieren nicht übersteigen und tragen überhaupt nicht zu einem fotoelektrischen Signal bei. Dementsprechend kommt es zu einer Korrektur der spektralen Ansprechverteilung, und eine Auflösungsverschlechterung tritt nicht ein. Eine Farbmischung entsteht auch nicht.

Der Effekt gilt in ähnlicher Weise auch für die n-diffundierte Schicht 23, die mit einer Ausgangsleitung 27 in Figur 12 verbunden ist (siehe Figur 13B).

Im folgenden wird nun die Auswirkung auf das Blooming in einem Fall beschrieben, wo die Intensität des auf die η-diffundierte Schicht 22 einfallenden Lichts 110 hoch ist.

Bei hoher Intensität des Lichts 110 steigt das Potential der n-Schicht 22, so daß die p-Schicht 25 und die ndiffundierte Schicht 22 in Vorwärtsrichtung vorgespannt

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sein können (120 in Figur 13C). Die n-Schicht 22 ist von der p-Schicht 25 und dem p⁺-Bereich 90 ungeben. Der p⁺- Bereich 90 liegt mit seiner p-Fremdstoffkonzentration höher als die p-Schicht 25 und mit seinem Diffusionspotential höher in Bezug auf die n-diffundierte Schicht 22, so daß er eine höhere Potentialbarriere für Elektronen als die p-Schicht 25 bildet. Aus diesem Grund findet eine Injektion von Elektronen nur in einem Abschnitt statt, dem es an p⁺- Bereich fehlt. In Figur 12 geht diese in eine Richtung vom Punkt M zum Punkt P oder zum Punkt N.

Von solchen Komponenten der Injektion fließt die Komponente zum Punkt P, wenn man sie läßt, wie sie ist, in die η-diffundierte Schicht 23 und wird zu den Signalen der Bildelemente, die die Signalleitung 27 gemeinsam haben, addiert, so daß Blooming inForm einer vertikalen Linie entsteht. Hier wird eine ausreichende Sperrvorspannung zwischen der p-Schicht 25 und dem Siliciumsubstrat 21 durch die Spannungsquelle 29 angelegt, wodurch die Verarmungsschicht von der Seite des Siliciumsubstrats 21 auf die Seite der n-diffundierten Schicht 22 ausgebreitet werden kann, und die Barriere zwischen dem Punkt M und dem Punkt 0, wie sie durch den Punkt N dargestellt ist, kann niedriger gemacht werden als die durch den Punkt P dargestellte Barriere, wie dies durch eine Potentialkurve 131 in Figur 13C angegeben ist. Entsprechend wird das Potential der n-Schicht 22 niedriger als dasjenige des Punkts P, und es wird für Überschußelektronen unmöglich, die Potentialbarriere zum Punkt P zu tibersteigen. Dementsprechend gehen die Überschußelektronen durch den Punkt N und werden durch den Punkt 0 bzw. das Substrat absorbiert.

Verbessorungsmaßnahinen ähnlich denjenigen im Stand der Technik, wie das Einstellen der Spannung, die an die Gate-Elektrode 2k gelegt wird und den Kanal abschneidet, unter eine Flachbandspannung, und die der herkömmliche Behelf derBildung eines Anreicherungs-M03-Tran5istors, bei welchem die p-Fremdstoffkonzentration unter der Gate-31ektrode 24 angehoben ist, zeigen größere Wirkungen bei der Erfindung. Solche Anordnungen bzw. Maßnahmen machen das Potential im Punkt P in Figur

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12 höher als dasjenige des Punkts N und machen die Barriere höher. Gleichzeitig erzeugen sie ein elektrisches Driftfeld, welches die Elektronen vom Punkt P zum Punkt Q innerhalb des Siliciumsubstrats 21 richte^ und können die in die η-diffundierte Schicht 23 fließenden Elektronen abschneiden. Diese Hilfsmittel sind mehrere Abwandlungseinrichtungen, die nur dazu dienen, die beste Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch perfekter zu machen. Im Gegensatz zu der bekannten Vorrichtung läßt sich die Abirage schaltung, die auf die Gate-Elektrode η 24 zu gebende Ab jinge impulse erzeugt, sehr einfach in der Weise realisieren, daß sie aus P-Kanal-Vorrichtungen ausgebildet wird, die auf dem Siliciumsubstrat 21 angeordnet sind, oder daß sie auf einer p-Schicht ausgebildet wird, die elektronisch von den Bildelementen isoliert ist. Es erübrigt sich zu sagen, daß die vom Punkt M zum Punkt L laufenden Elektronen, einschließlich der zum Punkt N laufenden Elektronen, eine Komponente auf das Siliciumsubstrat 21 haben, die sich in ihrem Lauf auf den Punkt Q zubewegt. Ohne besonders vom oben genannten Abwandlungsbehelf Gebrauch zu machen, wird daher der Effekt einer starken Unterdrückung des linearen Blooming erreicht.

Das Vorhandensein des ρ -Bereichs setzt den effektiven Schichtwiderstand der p-Schicht 25 stark herab. Als Folge davon hat die Vorrichtung gemäß der Erfindung den zusätzlichen Effekt, daß starke Schwankungen des Potentials der p-Schicht 25 hohen Schichtwiderstands infolge kapazitiver Kopplungen mit einem Fotostrom und einem Treiberimpuls eingedämmt sind, so daß ein stabiles Arbeiten der Vorrichtung sichergestellt ist.

Die Spezifikationen der p-Schicht 25 und des p⁺-Bereichs 90 können in geeigneter Weise, abhängig von den Arbeitsbedingungen, den anzuwendenden Verfahrenstechniken und den gewünschten Charakteristiken ausgewählt werden. Unter der Annahme beispielsweise, daß die Arbeitsspannung ungefähr 10V beträgt, wird in einem Fall, wo kein Elektron durch Ober-

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flächenrekombination verschwindet, die spektrale Ansprechverteilung auf sichtbares Licht im wesentlichen eben, wenn das Maximum bzw. der Gipfel 39 ungefähr 3 u^m im Abstand von der Oberfläche liegt. In Fällen jedoch, wo man sich auf herkömmliche Techniken zur Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen verläßt, ist wegen der Oberflächenrekombination ein Wert von ungefähr 2 _um geeignet. Die Berechnung solcher Bedingungen läßt sich durchführen. Obwohl damit keine Einschränkung beabsichtigt ist, besteht ein Aufbau, welcher sehr wirksam und leicht handzuhaben ist, darin, daß die Fremdstoffkonzentration des p⁺-Bereichs 90 10 bis 10 /cm beträgt, während die Tiefe seines Bodens ungefähr 2 bis 6 um ist, und daß die Fremdstoffkonzentration der p-Schicht 1O^1Z|" bis 10 /cm⁵ beträgt, während ihre Tiefe ungefähr 2 bis 10 _um ist. In Anbetracht der Dicken des ρ Bereichs 90 und der p-Schicht 25 erübrigt sich zu sagen, daß die Böden nicht gleich sein müssen, wie in Figur 9 gezeigt, sondern daß entweder der Bereich oder die Schicht dicker sein kann. Der p⁺-Bereich 90 (unter der n-diffundierten Schicht 22 und in der Umgebung der Gate-Elektrode 24) darf nur Teile unter der Gate-Elektrode 24 und unter der als Drain dienenden η-diffundierten Schicht 23 vermeiden. Beispielsweise kann er sich auch unter den dicken Teil 26' (genannt Feldbereich) des SiO₂-FiImS erstrecken, oder er kann unter der Elektrode 28 sitzen. Eine solche Maßnahme wirkt dahingehend, daß das Auftreten einetj parasitären Kanals durch ein Grenzflächenphänomen zwischen Si und SiO^ verhindert wird, bzw. dahingehend, daß die elektrische Verbindung zwischen der p-Schicht 25 und der Elektrode 28 verbessert wird, und läßt sich als ziemlich wünschenswert bezeichnen. Desgleichen kann eine p⁺-diffundierte Schicht, welche ein herkömmliches Mittel zur Verbesserung einer elektrischen Verbindung darstellt, getrennt unter der Elektrode 28 angeordnet sein.

Ein Beispiel für das Herstellungsverfahren dieser Ausführungsform der Vorrichtung wird nun unter Bezugnahme auf

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Figur 14 erläutert. In der Figur ist nur der fotoelektrische Abschnitt, der den Kern der Erfindung darstellt, abgebildet. A: Ein n-Siliciumsubstrat 21, dessen Fremdstoffkonzentration ungefähr 10 /er beträgt, wird zur Bildung eines Siliciumdioxid (SiO₂)-Films 70, dessen Dicke ungefähr 0,5 usi beträgt, thermisch oxidiert. Nachfolgend v/erden im SiO₂-FiIm 70 entsprechend zu Bereichen, die die p-Schicht und der p⁺-Bereich v/erden sollen, Öffnungen vorgesehen und Bor-Ionen

11 P mit einer Dichte von ungefähr 4 · 10 /cm zur Bildung einer ionenimplantierten Schicht 71 implantiert. Als nächstes wird Resist 72 aufgebracht, eine Öffnung in dem Bereich, der der p⁺-Bereich i^erden soll, vorgesehen und Bor-Icnen werden zur Bildung einer ionenimplantierten Schicht 73 mit einer Dichte von ungefähr 4-10 -ycm implantiert. Bei dieser Ausführungsform ist die Öffnung 74 unter Annahme des Falls vorgesehen, wo der ρ -Bereich sogar unter der Elektrode zum Aufbringen der Vorspannung auf die p-Schicht ausgebildet wird.

B: Nach Entfernen des Resist 72 werden die ionenimplantierten Schichten 71 und 73 durch thermische Oxidation bzw. zusätzliche thermische Diffusion zur Bildung der p-Schicht 25 und des ρ -Bereichs 90 mit einer Dicke von ungefähr 4 um und zur Bildung des 31O₂-FiImS 26' mit einer Dicke von ungefähr 1 um ausgedehnt. Der SiO₂-FiIm 70 kann vor diesem Verfahrensschritt ohne weiteres entfernt werden. Nachfolgend wird der SiOp-FiIm 26' mit einer öffnung in Entsprechung zu einem Bereich, der das Bildelement werden-soll, versehen und der SiO₂-FiIm 2f> mit einer Dicke von ungefähr 0,1 um durch thermische Oxidation ausgebildet.

C: Eine polykristalline Silciumschicht, welche ungefähr 0,5 um dick ist, wird ausgebildet und die Gate-Elektrode 24 durch herkömmliche Lithographietechnologie gebildet. Nachfolgend wird das Silicium eines Bereichs, der die n-diffundier te Schicht werden soll, freigelegt, wobei der SiO₂-FiIm 26 lediglich unter der Gate-Elektrode 24 belassen wird. Nachfolgend wird Phosphor zur Bildung der η-diffundierten Schichten 22 und 23, die ungefähr 0,5 um dick sind, thermisch diffunidert.

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D: Eine Phosphorsilikatglasschicht 75 mit einer Dicke von ungefähr 1 um wird ausgebildet, Öffnungen 76 und 77 zur Herstellung elektrischer Verbindungen zum Drain-Abschnitt und zu der p-Schicht 12 des Bildelements werden vorgesehen und Elektroden 27 und 28 aus leitfähigem Material, wie etwa Aluminium (Al), ausgebildet.

Auf diese V/eise wird eine Vorrichtung hergestellt, welche die p-Schicht 25 mit einer Fremdstoffkonzentration von ungefähr 10 ³/cm und den ρ -Bereich 90 mit einer Fremd-Stoffkonzentration von ungefähr 10 /cm aufweist. Die Verfahrensschritte nach dem Bilden der p-Schicht 25 und des p⁺-Bereichs 90 im Verfahrensschritt B unterscheiden sich nicht von herkömmlichen Verfahrensschritten zur Herstellung einer N-Kanal-MOS-Vorrichtung, weshalb sich die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr einfach verwirklichen läßt.

Durch ganz die selben Verfahrensschritte kann die Abfragte haltung auf einem Trog ausgebildet werden, der identisch mit oder getrennt von der p-Schicht 25 (N-Kanal-Typ) ist. Die Pi£rage schaltung des P-Kanal-Typs kann auf dem Siliciumsubstrat 21 ausgebildet werden, indem im Verfahrensschritt C zusätzlich ein thermische Diffusion von Bor in nur einen Teil der Abfrageschaltung durchgeführt wird. Ausführungsform 4:

Ein weiteres Beispiel für das Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Figur 15 dargestellt. Diese veranschaulicht einen Fall, wo eine p-Schicht durch epitaxiales Ziehen gebildet wird.

A: Auf der Oberfläche eines n-Siliciumsubstrats 9I, dessen Fremdstoffkonzentration ungefähr 5 · 10 ^Ό /cxP beträgt, wird durch epitaxiales Ziehen eine p-Schicht 92 als Siliciumeinkristallschicht, welche ungefähr 1 -10 /cm Bor (B) als Fremdstoff enthält und ungefähr 5 um dick ist, ausgebildet. Nachfolgend wird ein Siliciumdioxid (SiO₂)-FiIm 93 mit einer Dicke von ungefähr 0,5 um etwa durch Ziehen aus der Gasphase ausgebildet und eine Öffnung 9h in einer Form vorgesehen, die aktive Bereiche, wie etwa einen fotoelektrischen Abschnitt und einen Abfrageschaltungs-

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Abschnitt tungibt. Nachfolgend wird ein Fremdstoff, der die η-Leitung bildet, wie etwa Phosphor, durch die Öffnung zur Bildung einer n⁺-diffundierten Schicht 95 thermisch diffundiert. Die n⁺~diffundierte Schicht 95 wirkt dahingehend, daß sie die p-Schicht 92 isoliert, und muß nicht immer das Siliciumsubstrat 91 erreichen. Der Grund dafür ist, daß eine Verarmungsschicht, welche durch die zwischen der p-Schicht 92 und dem Siliciumsubstrat 91 im Betrieb angelegte Sperrvorspannung, wie oben ausgeführt, ausgebreitet wird, eine zwischen der n⁺-diffundierten Schicht 95 und dem Siliciumsubstrat 91 verbleibende Lücke auffüllt und die p-Schicht elektrisch isoliert.

B: Der SiO₂-FiIm 93 wird entfernt, Resist 96 aufgebracht und eine Öffnung in einem Bereich, der der ρ -Bereich werden soll, vorgesehen. Nachfolgend wird durch Ionenimplantation eine ungefähr 4 · 10 ^J/cm Bor enthaltende ionenimplantierte Schicht 97 ausgebildet.

Nachfolgend werden Verfahrensschritte, die denjenigen nach dem Schritt B im voranstehenden Beispiel (Figur 14) ähnlich sind, durchgeführt (detaillierte Beschreibung weggelassen). Danach liegt die erfindungsgemäße Vorrichtung vor.

Das Merkmal der eben beschriebenen Ausführungsform liegt darin, daß sich die Fremdstoffkonzentration der p-Schicht unabhängig von der Fremdstoffkonzentration des Silicium-Substrats einstellen läßt. Das heißt, unabhängig vom verwendeten Siliciumsubstrat kann die Fremdstoffkonzentration der p-Schicht gesenkt werden (1 · 10 /cmr bei dieser Ausführungsform) , und die parasitäre Kapazität der Signalleitung kann merklich gesenkt werden.

Bei der hier beschriebenen Ausfuhrungsform des Herstellungsverfahrens wird die Oberfläche des Siliciumsubstrats 91 nicht freigelegt und daher ist der Abfrageschaltungs-Abschnitt aus N-Kanal-Transistoren aufgebaut. Ausführungsform 5:

Figur 16A und 16B zeigen das Layout der einzelnen Bildelemente in der erfindungsgemäßen Festkörper-Abbildungsvorrichtung bzw. mit einem Schnitt längs Linie 164-164' ein

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Beispiel des Schnittaufbaus des Bildelements. In Figur 16A bezeichnet 160 die Begrenzung des Bildelements. Innerhalb des Bereichs 160 ist eine eine Fotodiode bildende hochdotierte n-Fremdstoffschicht 22 und ein Gate 24, ein Kanalbereich 161 und ein Drain 23 eines MOS-Tr enthalten. Ein Bereich 163 zwischen angrenzenden Bildelementen bildet einen Isolationsbereich und ist mit einem dicken SiO2-Filni 26^! versehen. In Figur 16A ist eine gestrichelte Linie 162 die Grenzlinie einer hochdotierten p-Fremdstoffschicht 90.

Die p-Fremdstoffschichten 90 sind in Form von Gittern innerhalb des Halbleitersubstrats ausgebildet.

In der Schnittansicht der Figur 16B liegt die hochdotierte p-Fremdstoffschicht 90 nicht in Berührung mit dem Substrat 21 , hat aber die gleiche Wirkung wie in den vorangehenden Ausführungsformen. In der Figur 16B bezeichnet 165 einen PSG-FiIm und 166 einen SiOp-FiIm. 16? bezeichnet einen reflektierenden Film aus Aluminium (Al) oder dgl., welcher dazu führt, daß einfallendes Licht nur in den Fotodiodenabschnitt eintritt und verhindert, daß Licht in irgendeinen anderen Abschnitt eintritt und zu Rauschen Anlaß gibt. In Figur 16b haben gleiche Teile wie in Figur 9 gleiche Bezugszeichen.

Wie oben ausgeführt, ist bei der Erfindung die Signalkapazitä"c der Festkörper-Abbildungsvorrichtung drastisch erhöht und die parasitäre Kapazität einer SignaLleitung auf einen kleinen Viert gedrückt, die spektrale Ansprechverteilung korrigiert und die Auflösungsverschlechterung sowie das Blooming, die der Verteilung von durch einfallendes Licht bewirkten Signalladungen auf andere Bildelemente zugeschrieben werden, treten nicht auf, so daß sich eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung hoher Bildqualität verwirklichen läßt. Es erübrigt sich zu sagen, daß die verschiedenen Spezifikationen der Materialien und die numerischen Werte nicht einschränkend zu verstehen sind. In der Beschreibung ist der Aufbau in seinen grundlegendsten Zügen dargestellt. Einrichtungen zur Verbesserung, die einer Abbiidungsvorrichtung üblicherweise hinzugefügt werden, beispielsweise die Hinzufügung einer Antireflexschicht oder einer Lichtabschirmungs-

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schicht zur Vermeidung eines Lichteinfalls auf dafür nicht notwendige Bereiche und das Hinzufügen eines Filters sind natürlich für die erfindungsgemäße Vorrichtung in Betracht zu ziehen und können auf sie angewandt werden. Sie erzielen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ähnliche Wirkungen.

In einer weiteren Ausgestaltung der erfLndxingsgemäßen Pestkörper-Abbildungsvorrichtung kann der lichtempfindliche Bereich der Bildelemente statt durch eine pn-Übergan-rr'iode auch durch eine MOS-Kapazitüt gebildet sein. Auf eine solche Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung bzw. der Bildelemente richten sich die Ansprüche 20 bis 22.

Ki/U-(CV/')

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Claims

PATENTANWÄLTE SCHIFF v.FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBtNGHAUS FtNCK MARtAHlLFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE; POSTFACH 95 O1 6O, D-8000 MDNCHEN 95 280298? KARL LUDWlS SCHIFF DiF-L. CHEM. DR. ALEXANDER V. FÜNER DIPL. ING. PETER STREHL DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF DIPL. ING. DIETER EBBINGHAUS DR. INS. DIETER FINCK HITACHI, LTD. DA-5566 24. Januar 1978 Festkörper-Abbildungsvorrichtung: PATENTANSPRÜCHE

1.■ Festkörper-Abbildungsvorrichtung, g e k e η η ze lehnet durch ein Halbleitersubstrat (21) eines ersten Leitungstyps mit einem ersten Oberflächenbereich (25) eines zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitungstyps, durch eine Einrichtung zur Sperrvorspannung eines pn-Übergangs, welcher durch das Substrat (21) und den ersten Oberflächenbereich (25) gebildet ist und eine Anzahl von im ersten Oberflächenbereich angeordneten Bildelementen, wobei das Bildelement i) einen im ersten Oberflächenbereich angeordneten und von anderen Bildelementen isolierten Bildelementbereich, il) einen ersten Bereich (22) des ersten Leitungstyps, der im Bildelementbereich angeordnet ist und eine pn-Übergangsdiode zusammen mit dem ersten Oberflächenbereich (25) bildet und iii) eine Nachweiseinrichtung zum Nachweisen von in einer Übergangskapazität der pn-Übergangsdiode gespeicherten Ladungen umfaßt.

"²" 280298?

2. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine im I&lbleitersubstrat (21) vorgesehene und bezüglich der Bildelemente am Rand angeordnete Abfrageschaltung.

3- Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Abfrageschaltung im ersten Oberflächenbereich (25) vorgesehen ist.

4. Fe stkörper-Abbildungs vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennze ichnet , daß ein im Ifelbleitersubstrat (21) angeordneter zweiter Oberflächenbereich des zweiten Leitungstyps vorgesehen ist und daß die Abfrageschaltung in dem zweiten Oberflächenbereich vorgesehen ist.

5. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrageschaltung in einem Bereich des Halbleitersubstrats (21) vorgesehen ist, der vom ersten Oberflächenbereich

(25) verschieden ist.

6. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet _f daß die Nachweiseinrichtung i) einen im Bildelementbereich angeordneten zweiten Bereich (23) des ersten Leitungstyps, ix) einen zwischen dem ersten Bereich (22-) und dem zweiten Bereich (23) liegenden Bereich abdeckenden Gate-IsoHationsfilm (26) und iii) eine auf dem

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Gate-IsoÜEfcionsfilm angeordnete Gate-Elektrode (24) enthält.

7. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildelemente in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind und daß die Axfr age schaltung eine eine horizontale Richtung adressierende erste Abfrageeinrichtung und eine eine vertikale Richtung adressierende- zweite Abfrageeinrichtung umfaßt.

8. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß eine Lichtabschirmungsschicht (167) aus einem lichtundurchlässigen Material mit Fenstern vorgesehen ist, die die Nachweiseinrichtung abdeckt, so daß einfallendes Licht nur die pn-Übergangsdioden bestrahlen kann.

9. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet , daß das Bildelement iv) einen dritten Bereich (90) des ersten Leitungstyps aufweist, der eine Fremdstoffkonzentration hat, die höher als diejenige des ersten Oberflächenbereichs (25) ist, und unter dem ersten Bereich (22) angeordnet ist.

10. Festkörper-Äbbildungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennze ichnet , daß der dritte Bereich (90) im ersten Oberflächenbereich (25) enthalten ist.

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11. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennze lehnet , daß der dritte Bereich (90) an den pn-übergang zwischen dem ersten Oberflächenbereich (25) und dem Halbleitersubstrat (21) anstößt.

12. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß sich der dritte Bereich (90) aus dem ersten Oberflächenbereich (25) gegen das Halbleitersubstrat (21 ) erstreckt.

13. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennze ichnet , daß der dritte Bereich (90) unter einem Teil des ersten Bereichs (22) angeordnet ist.

14. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke des ersten Oberflächenbereichs (25) zwischen 2 um und 1 0 _um und die Fremdstoffkonzentration des ersten Oberflächenbereichs zwischen 1 . 10 Ycm^ und 1 · 10 /cnr⁵ liegt.-

15. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß der erste Oberflächenbereich (25) eine Dicke zwischen 2 um und 10 um und eine Fremdstoffkonzentration zwischen 1 * 10 /cm und

1 · 1O¹⁶/cm³ hat.

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16. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß der dritte Bereich (90) eine Dicke zwischen 2 um und 6 _um und eine Fremdstoffkonzentration zwischen 1 . 10 /cm^D und 1 * 10 /cnr hat.

17. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Sperrvorspannung des pn-Übergangs i) eine mit dem ersten Oberflächenbereich (25) verbundene erste Elektrode ii) eine mit dem Halbleitersubstrat (21) verbundene zweite Elektrode und iii) eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeschlossene Spannungsquelle (29) enthält.

18. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Nachweiseinrichtung eine Einrichtung zur Zuführung einer Zielspannung eines bestimmten Viertes an den zweiten Bereich (23) enthält.

19. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennze ichnet , daß die Nachweiseinrichtung eine auf dem zweiten Bereich (23) angeordnete Nachweiselektrode aufweist und daß die Zielspannung der Nachweiselektrode zugeführt wird.

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20. Festkörper-Abbildungsvorrichtung, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps mit einer Hauptfläche und einem ersten Oberfläche nber eich eines dem ersten Leitungstyps entgegengesetzten zweiten Leitungstyps, eine Einrichtung zur Sperrvorspannung eines pn-Übergangs, welcher durch das Substrat und den ersten Oberflächenbereich gebildet ist und eine Anzahl von im ersten Oberflächenbereich angeordneten Bildelementen, wobei die Bildelemente i) einen im ersten Oberflächenbereich angeordneten und von den anderen Bildelementen isolierten Bildelemsntbereich, ii) einen MOS-Aufbau, welcher einen transparenten Isolationsfilm, der auf der Hauptfläche einen lichtempfindlichen Bereich im Bildelementbei-eich abdeckend angeordnet lsi; und eine transparente Gate-Elektrode, welche auf dem transparenten Isolationsfilm angeordnet ist und mit einer bestimmten Spannung zur Bildung einer Inversionsschicht unter dem transparenten Isolationsfilm versehen wird, aufweist und welcher als elektrostatische Kapazität wirkt, und iii) eine Nachweiseinrichtung zum Nachweisen von in dem lichtempfindlichen Bereich gespeicherten Signalladungen umfassen.

21. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß die Nachweiseinrichtung i) einen Nachweisbereich des ersten Leitungstyps, der auf dem Bildelementbereich angeordnet ist, ii) einen Transfer-Gate-Isolationsfilm, der auf der Hauptfläche

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einen zwischen dem lichtempfindlichen Bereich und dem Nachweisbereich liegenden Bereich abdeckend angeordnet ist, und iii) wenigstens eine Transfer-Gate-Elektrode, die auf dem Transfer-Gate-Isolationsfilm angeordnet ist, umfaßt.

22. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß das Bildelement iv) einen hochdotierten Bereich des zweiten Leitungstyps, der eine Fremdstoffkonzentration, die höher als diejenige des ersten Oberflächenbereichs ist, aufweist und in dem lichtempfindlichen Bereich angeordnet ist, umfaßt.

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