DE3302725C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladungsübertragungs-Abbildungs­ vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Festkörper-Abbildungsvorrichtungen unter Verwendung von Ladungsübertragungsvorrichtungen (CTD), wie Ladungsver­ schiebeelemente (CCD), werden in neuerer Zeit verbreitet eingesetzt, weil sie zahlreiche Vorteile bieten, z. B. bezüg­ lich einfacher Abmessungsverkleinerungen.

Eine Ladungsübertragungsvorrichtung weist lichtempfindliche Stellen, wie in Oberflächenbereichen eines p-Typ-Halblei­ tersubstrats ausgebildete PN-Dioden, zur Erzeugung und Speicherung einer Signalladung entsprechend dem einfallen­ den Licht auf. Die an den lichtempfindlichen Stellen ge­ speicherte Signalladung wird durch Öffnen einer Verschie­ beelektrode oder eines Übertragungstors nach einer vorbe­ stimmten Zeitspanne zu einem Ladungsübertragungs-Schiebe­ register übertragen. Nach dem Schließen der Verschiebeelek­ trode kann dann die übertragene Signalladung als elektri­ sches Signal von einer Ausgangsklemme ausgelesen werden, indem den Übertragungselektroden ein Taktimpuls aufgeprägt wird.

Eine solche Ladungsübertragungsvorrichtung ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß beim Einfall von Licht hoher Intensität oder bei einer langen Auslesezeitspanne aus dem Schieberegister oder aber in dem Fall, in welchem das photoelektrisch umzuwandelnde einfallende Licht eine lange Wellenlänge in der Nähe des Infrarotbereichs besitzt, im Halbleitersubstrat an von den lichtempfindlichen Stellen verschiedenen Stellen erzeugte Elektronen in das Schiebe­ register fließen und das Bildsignal verschlechtern können.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist eine Ladungsübertra­ gungs-Abbildungsvorrichtung mit einer n-leitende Über­ lauf-Drainzone bekannt, die auch unter lichtempfindlichen Stellen in eine p-leitende Schicht eingelassen bzw. "ver­ graben" und in Sperrichtung vorgespannt ist (vgl. H. Goto und Mitarbeiter, "CCD Linear Image Sensor with Buried Over-flow Drain Structure", Elektronics Letters, 26. Nov. 1981, Vol. 17, Nr. 24, S. 904-905). Die Überlauf-Drainzone dient zur Entladung von außerhalb der lichtempfindlichen Stellen erzeugten Elektronen. Auf diese Weise können un­ erwünschte Ladungsträger an einem Eintritt in das Schie­ beregister gehindert werden, so daß eine Beeinträchtigung oder Verschlechterung eines Bilds weitgehend vermieden werden kann. Weiterhin kann damit ein Leuchtflecküberhel­ lungseffekt verhindert werden, der anderenfalls bei Sätti­ gung der lichtempfindlichen Stellen auftreten könnte. Bei einer Ladungsübertragungs-Abbildungsvorrichtung mit diesem Aufbau kann es jedoch vorkommen, daß die in den lichtempfind­ lichen Stellen gespeicherten Träger zum Teil in die darun­ ter angeordnete Überlauf-Drainzone fließen. Insbesondere dann, wenn das abgenommene Einfallslicht eine lange Wel­ lenlänge nahe dem Infrarotbereich besitzt, ist die Ladung bestrebt, sich zur Überlauf-Drainzone zu entladen, wodurch die Ansprechempfindlichkeit herabgesetzt wird.

Weiterhin ist ein Signalerfassungsverfahren für einen Infrarot-Detektor bekannt (US-PS 43 13 127), bei dem ein Ladungsübertragungs-Schieberegister einen P-Kanal hat, während eine n-leitende Zone über einer n⁺-leitenden Zone vorgesehen ist. Durch die n⁺-leitende Zone soll verhindert werden, daß ein induzierter Strom, der durch einen zu dem Ladungsübertragungs-Schieberegister gespeisten Taktimpuls erzeugt ist, in das p-leitende Substrat ab­ fließt.

Bei einer anderen bekannten Ladungsübertragungsvorrich­ tung (US-PS 38 96 485) ist ein Überlauf-Schutz vorgesehen, wozu eine vergrabene Zone unterhalb einer lichtempfind­ lichen Stelle liegt. Diese vergrabene Zone soll eine Diffusion unnötiger Ladungsträger verhindern. Da jedoch die vergrabene Zone gerade unterhalb der lichtempfindlichen Stelle angeordnet ist, wird bei dieser bekannten Ladungs­ übertragungsvorrichtung die Empfindlichkeit gegenüber Infrarot-Licht beeinträchtigt, wie dies bereits oben erläutert wurde.

Ähnliches gilt auch für eine andere bekannte Ladungsüber­ tragungs-Abbildungsvorrichtung (IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 19, No. 10, März 1979, Seiten 3972 bis 3974), bei der eine Vorspannung die an einer n⁺-leitende Drain­ zone unter einem Bildelement liegt, so gesteuert wird, daß sich die Empfindlichkeit des Bildelementes verändert. Diese n⁺-leitende Drainzone ist also ebenfalls unterhalb den lichtempfindlichen Stellen vorgesehen, was die Empfind­ lichkeit beeinträchtigt.

Auch bei einer bekannten lichtempfindlichen Halbleiter­ vorrichtung (US-PS 35 29 217), speziell einer Photodiode bzw. einem Phototransistor, ist eine vergrabene Zone unterhalb einer lichtempfindlichen Stelle ausgebildet.

Schließlich ist noch eine Photodetektor-Anordnung be­ kannt (DE-OS 28 49 511), bei der ein n⁺-leitender Be­ reich unterhalb von p-leitenden Bildelementen vorgese­ hen ist. Damit verhindert das durch die n⁺-leitende Zone erzeugte Diffusionspotential, daß in tiefen Be­ reichen gebildete Ladungsträger zu den Bildelementen abfließen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine La­ dungsübertragungs-Abbildungsvorrichtung zu schaffen, die hochempfindlich auf einfallendes Licht auch eines langen Wellenlängenbereichs anspricht und bei welcher eine Verschlechterung oder Beeinträchtigung des Bild­ signals aufgrund einer Übertragung von im Halbleiter­ substrat erzeugten Ladungsträgern in das Ladungsüber­ tragungs-Schieberegister verhindert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Ladungsübertragungs-Ab­ bildungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kenn­ zeichnendem Teil enthaltenden Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 und 3.

Es ist also ein Halbleiterbereich des dem Leitungstyp des Halbleitersubstrats entgegengesetzten Leitungstyp in einem von dem unter den lichtempfind­ lichen Stellen befindlichen Bereich ver­ schiedenen Abschnitt des Substrats und zumindest unter dem Übertragungskanal des Ladungsübertragungs-Schiebe­ registers ausgebildet. Zwischen diesen Halbleiterbe­ reich und das Substrat wird eine Sperrvorspannung angelegt.

Damit ist es möglich, unbenötigte, im Halbleitersubstrat erzeugte Ladungsträger daran zu hin­ dern, das Schieberegister zu erreichen, und außerdem durch das einfallende Licht des langwelligen Bereichs erzeugte wirksame Ladungsträger an einem Abfließen zu hindern.

Insbesondere bei einer automatisch scharfstellenden Kamera wird häufig eine Lichtquelle, die Licht in der Nähe des Infrarotbereichs emittiert, um bei dunk­ lem Hintergrund Daten eines Vordergrundobjekts zu gewinnen, verwendet, während bei hellem Hintergrund eine sichtbares Licht emittierende Lichtquelle ein­ gesetzt wird.

Wenn die erfindungsgemäße Ladungsübertragungs-Abbil­ dungsvorrichtung für eine solche automatisch scharf­ stellende bzw. selbstfokussierende Kamera verwendet wird, können im Halbleitersubstrat erzeugte unnötige Ladungs­ träger an einem Eintritt in das Schieberegister gehindert werden, und es kann außerdem ein Überstrah­ lungseffekt infolge einer Sättigung der lichtempfind­ lichen Stellen verhindert werden, wenn intensives sichtbares Licht oder Licht einer Wellenlänge nahe des Infrarotbereichs verwendet wird.

Wenn Licht nahe des Infrarotbereichs für die Abbil­ dung verwendet wird, wird zudem im Vergleich zur bisherigen Ladungsübertragungs-Abbildungsvorrich­ tung die erzeugte Signalladung in geringerem Maße zum Abfließen gebracht. Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit für Licht nahe des Infrarotbe­ reichs verbessert werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Teil-Aufsicht auf eine Ladungsübertragungs-Abbildungsvorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Teilschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Teilschnitt längs der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Teilschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 1,

Fig. 5A bis 5C Teilschnittdarstellungen zur Veran­ schaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleitersubstrats für eine Ladungs­ übertragungs-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 6 eine Fig. 2 ähnelnde Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 7A und 7B Teilschnittdarstellungen zur Ver­ anschaulichung eines Verfahrens zur Her­ stellung eines Halbleitersubstrats zur Ver­ wendung bei der Vorrichtung nach Fig. 6.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Ladungsüber­ tragungs-Abbildungsvorrichtung umfaßt ein p-Typ-Halbleitersubstrat 10, auf dem licht­ empfindliche Stellen 12 a-12 f in Form von n-Typ-Halbleiterbereichen zur Erzeugung von Speicherung einer Signalladung nach Maßgabe des einfallenden Lichts ausgebildet sind. Auf dem Halbleitersubstrat 10 ist in der Nähe der lichtemp­ findlichen Stellen 12 a-12 f unter Zwischenfügung einer Isolierschicht eine Verschiebeelektrode (oder ein Übertragungs-Tor) 14 ausgebildet, die allen lichtempfindlichen Stellen 12 a-12 f gemeinsam zugeordnet ist. An der von den lichtempfindlichen Stellen 12 a-12 f abgewandten Seite der Verschiebe­ elektrode 14 ist ein Ladungsübertragungs-Schiebe­ register 16 vorgesehen, das eine Anzahl von Über­ tragungselektroden 18 und Übertragungskanälen 20 aufweist. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht dieses Schieberegister aus Zelleneinheiten mit je vier Elektroden. Beispielsweise enthält eine der lichtempfindlichen Stellen 12 d entsprechen­ de Zelleneinheit Elektroden 18 d 1-18 d 4, die jeweils mit zugeordneten Stromversorgungen P 1, P 2, P 3 bzw. P 4 verbunden und auf dem Substrat 10 unter Zwischen­ fügung der Isolierschicht 30 ausgebildet sind. Von den Elektroden 18 sind die Elektroden 18 a 1, 18 b 1 . . . 18 f 1 für die betreffenden lichtempfindlichen Stellen 12 a, 12 b . . . 12 f so ausgebildet, daß sie die Verschiebeelektrode 14 teilweise überlappen; die in den lichtempfindlichen Stellen 12 a-12 f erzeug­ te Ladung kann somit über die Verschiebeelektrode 14 zum Schieberegister 16 übertragen werden. Wenn die Verschiebeelektrode 14 aktiviert oder geöffnet bzw. durchge­ schaltet wird, wird eine z. B. in der lichtempfind­ lichen Stelle 12 d gespeicherte Ladung zu einem unter der Übertragungselektrode 18 d 1 verlaufenden Übertra­ gungskanal 20 d 1 übertragen. Die so übertragene Ladung kann anschließend als elektrisches Signal ausgelesen werden, indem die Verschiebeelektrode 14 stromlos gemacht und sodann ein Taktimpuls an die Übertragungs­ elektroden 18 im Schieberegister 16 angelegt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Ladungsübertragungs-Abbil­ dungsvorrichtung ist im Halbleitersubstrat 10 unter jedem Übertragungskanal 20 des Schieberegisters 16 ein n-Typ-Halbleiterbereich 24 ausgebildet, der sich bis zu einer Tiefe von einigen µm bis zu 20 µm von der Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 erstreckt. Über ein Kontaktloch 26 wird eine Sperrvorspannung Vb zwischen den Halbleiterbereich 24 und das Substrat 10 angelegt. Wesentlich ist nun, daß die n-Typ-Halbleiterbereiche 24 unter den Über­ tragungskanälen 20 des Schieberregisters 16, nicht aber unter den lichtempfindlichen Stellen 12 a-12 f ausgebildet sind. Dies bedeutet, daß diese Halbleiter­ bereiche 24 in jedem beliebigen anderen Teil des Substrats 10 ausgebildet sein können, sofern sie der genannten Bedingung genügen.

Weiterhin sind p⁺-Typ-Kanalsperren bzw. "Channel- Stoppers" 28 so ausgebildet, daß sie sich in den Zwischenräumen zwischen benachbarten lichtempfindlichen Stellen 12 a-12 f auf der Oberfläche des Halbleiter­ substrats 10 und anderen wesentlichen Abschnitten der Vorrichtung erstrecken. Auf der Isolierschicht 30 ist, mit Ausnahme ihrer den lichtempfindlichen Stellen 12 a- 12 f entsprechenden Bereiche, eine Lichtabschirmschicht 32 vorgesehen.

Die Ausbildung des Halbleiterbereichs 24 erfolgt auf die in den Fig. 5A bis 5C veranschaulichte Weise. Gemäß Fig. 5A wird eine n-Typ-Halbleiterschicht 42 in einem vorgegebenen Oberflächenabschnitt eines p-Typ- Halbleitersubstrats 40 durch Ionenimplantation von z. B. Phosphor geformt. Sodann wird gemäß Fig. 5B eine epitaxiale p-Typ-Halbleiterschicht 44 auf dem p-Typ- Halbleitersubstrat, einschließlich der n-Typ-Halbleiter­ schicht 42, gezüchtet. Hierauf wird gemäß Fig. 5C eine mit der n-Typ-Halbleiterschicht 42 verbundene n-Typ- Schicht 46 ausgebildet, indem n-Typ-Fremdatome auf thermischen Wege in einen vorgegebenen Oberflächen­ abschnitt der p-Typ-Halbleiterschicht 44 eindiffundiert werden. Die Ladungsübertragungs-Abbildungsvorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 4 wird in der Oberfläche des so geformten Halbleitersubstrat 10 ausgebildet.

Bei der Ladungsübertragungs-Abbildungsvorrichtung mit dem beschriebenen Aufbau erzeugen und speichern die lichtempfindlichen Stellen 12 a-12 f eine Signalladung nach Maßgabe des auf sie einfallenden Lichts. Die so erzeugte Signalladung kann durch Anlegung eines Takt­ impulses an die Übertragungselektroden 18 im Schiebe­ register 16 ausgelesen werden. Ladungsträger, die im Halbleitersubstrat 10 in der Nähe z. B. der lichtempfindlichen Stelle 12 d aufgrund des Einfalls von langwelligem Licht in diese Stelle entstehen, können infolge einer Diffusionswirkung zum größten Teil in dieser Stelle gespeichert werden. Dies ist deshalb der Fall, weil im Gegensatz zur bisherigen Vorrichtung dieser Art unter der lichtempfindlichen Stelle 12 d kein Abfluß- oder Drainbereich für die Ladungs­ träger vorhanden ist. Die Ansprechempfindlichkeit für langwelliges Licht kann somit verbessert werden. Außerdem ist unter jedem Übertragungs­ kanal 20 des Schieberegisters 16 ein in Sperrichtung vorgespannter n-Typ-Halbleiterbereich 24 vorgesehen. Wenn Licht des normalen Wellenlängenbereichs oder einer Wellenlänge nahe dem Infrarotbereich einfällt, wandern aufgrund der Diffusionswirkung einige der im Halbleitersubstrat 10 erzeugten Elektronen zum Übertragungskanal 20. Diese Elektronen werden im Halbleiterbereich 24 aufgefangen und abgeleitet. Beim Abgreifen von Licht hoher Intensität kann mithin das Eindringen unnötiger oder unerwünsch­ ter Elektronen in das Schieberegister 16 verhindert oder weitgehend unterdrückt werden, so daß eine Ver­ schlechterung des Bildsignals weitgehend ausgeschaltet wird. Die Ladungsübertragungs-Abbil­ dungsvorrichtung eignet sich somit vorteilhaft für die Verwendung bei einer selbstfokussierenden Kamera, bei welcher für das Abbilden oder Scharfstellen gegen einen dunklen Hintergrund eine Leuchtdioden-Infrarot­ lichtquelle und im Fall eines hellen Hintergrunds eine sichtbares Licht emittierende Lichtquelle benutzt werden.

In Fig. 6 ist eine andere Ausführungsform der Erfin­ dung dargestellt, bei der jeder Übertragungskanal 20 des Schieberegisters 16 in einem p⁺-Typ-Halbleiter­ bereich 50 mit einer im Vergleich zum Halbleitersub­ strat 10 hohen Fremdatomkonzentration ausgebildet ist. Ansonsten entspricht diese Ausführungsform der vorher beschriebenen Ausführungsform, weshalb den vorher be­ schriebenen Teile entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und nicht näher erläutert sind. Bei dieser Ausführungsform werden der n-Typ-Halbleiterbereich 24 und der p⁺-Typ-Halb­ leiterbereich 50 nach dem in den Fig. 7A und 7B ver­ anschaulichten Verfahren ausgebildet. Gemäß Fig. 7A wird eine n-Typ-Halbleiterschicht 52 einer Dicke von einigen µm in einem vorgegebenen Oberflächenabschnitt eines p-Typ-Halbleitersubstrats 10 durch Ionenimplan­ tation und thermische Diffusion von n-Typ-Fremdatomen ausgebildet. Sodann werden p-Typ-Fremdatome durch Ionenimplantation in einen Oberflächenabschnitt der n-Typ-Halbleiterschicht 52 eingeführt und anschließend thermisch diffundiert, so daß der p⁺-Typ-Halbleiter­ bereich 50 und ein n-Typ-Halbleiterbereich 24 gemäß Fig. 7B erhalten werden. Die Ladungsübertragungs-Ab­ bildungsvorrichtung gemäß Fig. 6 wird unter Verwendung des auf vorstehend beschriebene Weise ausgebildeten Halbleitersubstrats 10 hergestellt.

Bei der auf beschriebene Weise ausgebildeten Ladungs­ übertragungs-Abbildungsvorrichtung ist jeder Übertra­ gungskanal 20 des Schieberegisters 16 im p⁺-Typ-Halb­ leiterbereich 50 ausgebildet, der eine höhere Fremd­ atomkonzentration besitzt als das Halbleitersubstrat 10. Das Eindringen von im Substrat 10 entstehenden Elektro­ nen in das Schieberegister 16 kann damit durch eine durch Diffusion bedingte Potentialänderung bzw. durch einen Diffusionspotentialeffekt, der an der Grenzfläche zwischen p-Typ-Substrat 10 und p⁺-Typ-Halbleiterbereich 50 entsteht, weiter verringert werden. Im allgemeinen kann eine Wirkung ähnlich der angegebenen dann erzielt werden, wenn sich ein p⁺-Typ-Halbleiterbereich auf einer Strecke befindet, über welche im Halblei­ tersubstrat 10 erzeugte Elektronen zum Übertragungs­ kanal 20 geleitet werden.

Mit der zweiten Ausführungsform der Erfindung kann auch die Meßempfindlichkeit bei Verwendung einer langwelligen Licht emittierenden Lichtquelle für die Abbildung ver­ bessert werden, während bei Verwendung einer hoch­ intensives Licht emittierenden Lichtquelle unnötige Elektronen daran gehindert werden, den Übertragungs­ kanal zu erreichen.

Während bei den beschriebenen Ausführungsformen die lichtempfindlichen Stellen in eindimensionaler An­ ordnung ausgebildet sind, können sie auch in zwei­ dimensionaler Anordnung vorgesehen sein. Außerdem können die Übertragungskanäle des Schieberegisters 16 eingelassene oder versenkte bzw. vergrabene n-Typ- Kanäle sein. Weiterhin kann als Halbleitersubstrat 10 ein n-Typ-Halbleiter verwendet werden; in diesem Fall sind die anderen Halbleiterschichten vom jeweils entsprechenden entgegengesetzten Leitungstyp.

Claims (4)

1. Ladungsübertragungs-Abbildungsvorrichtung, mit

• - einem Halbleitersubstrat (10) eines ersten Leitungs­ typs,
• - in Oberflächenabschnitten des Halbleitersub­ strats (10) ausgebildeten lichtempfindlichen Stellen (12 a-12 f) zur Erzeugung und Speicherung einer Signalladung nach Maßgabe eines einfallenden Lichtsignals, wobei diese lichtempfindlichen Stellen (12 a-12 f) erste Halbleiterbereiche eines zweiten Leitungstyps bilden,
• - einer Verschiebeelektrode (14) zur Steuerung der Übertragung der Signalladung durch das Halbleiter­ substrat (10),
• - einem Ladungsübertragungs-Schieberegister (16) zum Auslesen der Signalladung durch Übertragung dersel­ ben von der Verschiebeelektrode (14) über im Halbleitersubstrat (10) ausgebildete und an dessen Oberfläche anschließende Übertragungskanäle (20), und
• - einem zweiten Halbleiterbereich (24) des zweiten Leitungstyps im Halbleitersubstrat (10),

dadurch gekennzeichnet,

• - daß der zweite Halbleiterbereich (24) in einem anderen Abschnitt des Halbleitersubstrats (10) als unter den lichtempfindlichen Stellen (12 a-12 f) und zumindest unter den Übertragungskanälen (20) des Schieberegisters (16) ausgebildet ist, um zu verhindern, daß die im Halbleitersubstrat (10) unter den lichtempfindlichen Stellen erzeugte Signalladung direkt die Übertragungskanäle (20) erreicht und
• - daß zwischen dem zweiten Halbleiterbereich (24) und dem Halbleitersubstrat (10) eine Sperrvorspan­ nung (Vb) anliegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungskanäle (20) vom selben Leitungs­ typ wie das Halbleitersubstrat (10) sind und jeweils in einem dritten Halbleiterbereich ausgebildet sind, der eine höhere Fremdatomkonzentration als das Halbleitersubstrat (10) aufweist, und daß der zweite Halbleiterbereich (24) unter dem dritten Halbleiter­ bereich und an diesen anschließend ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungskanäle (20) pn-Übergänge mit dem ersten Halbleiterbereich bilden.