DE4329838B4

DE4329838B4 - Festkörper-Bildsensor

Info

Publication number: DE4329838B4
Application number: DE4329838A
Authority: DE
Inventors: Shinji Uya
Original assignee: Hynix Semiconductor Inc
Current assignee: Intellectual Ventures II LLC
Priority date: 1993-09-03
Filing date: 1993-09-03
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2013-09-04
Also published as: US5578842A; DE4329838A1

Abstract

Festkörper-Bildsensor mit vertikaler Überlauf-Drainstruktur, bei dem eine Photodiode (6) und eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD) zum Einsatz kommen, gekennzeichnet durch:
– eine erste Wanne (2) zur Abdeckung der Photodiode (6), und
– eine zweite Wanne (3) zur Abdeckung eines CCD Kanalbereichs (4), die eine geringere Tiefe als die erste Wanne (2) aufweist, wobei die zweite Wanne (3) als Trennzone zur Trennung des CCD-Kanalbereichs (4) von einem Halbleitersubstrat (1) wenigstens in einem Pixel- bzw. Bildpunktbereich dient.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörper-Bildsensor und insbesondere auf einen solchen mit vertikaler Überlauf-Drainstruktur, bei dem eine Mehrzahl von Photodioden zur photoelektrischen Umwandlung und eine Mehrzahl von ladungsgekoppelten Einrichtungen (CCD's) zur Signalladungsübertragung zum Einsatz kommen, und der z. B. in Fällen verwendet wird, die eine geringere Verschmierung bzw. geringere Überstrahlung bzw. Überhellung erfordern.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf 8 ein konventioneller Festkörper-Bildsensor und im Zusammenhang damit auftretende Probleme näher erläutert, wobei der Festkörper-Bildsensor z. B. ein CCD-Festkörper-Bildsensor vom Zwischenzeilentyp ist, der auf einem N-Typ Siliziumwafer liegt.
Die 8 zeigt einen Querschnitt eines auf einem Siliziumsubstrat liegenden Pixels bzw. Bildelements eines zweidimensionalen Festkörper-Bildsensors. Die Pixelstruktur bzw. Bildelementstruktur enthält eine erste Wannenschicht 2 einer vorbestimmten Dicke auf der Oberfläche eines N-Typ Siliziumsubstrats 1, wobei die erste Wannenschicht 2 den gesamten Pixelbereich überdeckt. Ferner enthält die Pixelstruktur eine zweite Wannenschicht 3, die eine Dicke aufweist, die wesentlich kleiner ist als diejenige der ersten Wannenschicht 2. Diese zweite Wannenschicht 3 kommt dabei unterhalb eines CCD-Kanalbereichs 4 zu liegen, den sie aufnimmt.
Einfallendes Licht, das die Oberfläche der CCD über ein gegebenes optisches System erreicht, trifft auf eine Photodiode 6 auf, und zwar durch eine Öffnung innerhalb einer Lichtabschirmschicht 11 hindurch. Im vorliegenden Fall dient die zweite Wannenschicht 3 dazu, die durch das einfallende Licht innerhalb der ersten Wannenschicht 2 erzeugten Elektronen abzublocken und Verschmierungen zu vermeiden, die durch Leckströme von Elektronen in den CCD Kanal 4 erzeugt werden.
Das N-Typ Siliziumsubstrat 1 wird durch ein positives elektrisches Potential vorgespannt, so daß für den Fall, daß die Photodiode eine extrem große Ladung erzeugt, die die Kapazität der Photodiode 6 übersteigt, die Elektronen von der Photodiode 6 zum Siliziumsubstrat 1 geführt werden.
Ein Problem bei einem zuvor erwähnten Festkörper-Bildsensor besteht darin, daß nur ein sehr kleiner Anteil des einfallenden Lichts, das auf die Oberfläche der CCD auftrifft, photoelektrisch umgewandelt werden kann.
Eine Möglichkeit, den Anteil des einfallenden Lichts, der photoelektrisch umgewandelt werden kann, zu vergrößern, besteht in der Verwendung einer Linse auf der Oberfläche der CCD im Bereich eines jeden Pixels, um das einfallende Licht auf die entsprechende Photodiode 6 fokussieren zu können.
Die 9 zeigt einen Querschnitt durch den Pixelbereich eines Festkörper-Bildsensors mit einer derartigen Fokussierungslinse auf der CCD Oberfläche, um deren Wirkung zu erläutern. Im vorliegenden Fall ist das linksseitige Pixel mit einer Mikrolinse 19 abgedeckt, während beim rechtsseitigen Pixel keine derartige Linse vorhanden ist.
Wie durch die Strahlen 20 des einfallenden Lichts in 9 zu erkennen ist, wird links das Licht mit Hilfe der Mikrolinse 19 auf die Photodiode 6 fokussiert. Die Wirkung des einfallenden Lichts wird somit durch die Mikrolinse 19 erheblich verstärkt. Es ist allgemein bekannt, daß die Verwendung einer solchen Linse 19 die Empfindlichkeit um das Zwei- oder Dreifache im Vergleich zu dem Fall anhebt, bei dem keine solche Linse verwendet wird.
Der Einsatz einer derartigen Mikrolinse 19 führt jedoch zu dem Problem, daß stärkere Verschmierungen auftreten, wie nachfolgend erläutert wird.
Üblicherweise treffen nicht alle einfallenden Lichtstrahlen senkrecht auf die Oberfläche der CCD auf, sondern nur derjenige Lichtstrahl, der durch das Zentrum des optischen Systems hindurchtritt, so daß die Einfallswinkel der auftreffenden Lichtstrahlen erheblich schwanken, je nach Typ des optischen Systems.
Wird mit anderen Worten eine zur Einstellung der Lichtmenge verwendete Iris vergrößert, so ergibt sich auch eine vergrößerte Einfallswinkelverteilung. Wird die Iris dagegen verkleinert, wird auch die Einfallswinkelverteilung schmäler.
Die Einfallswinkelverteilung weist darüber hinaus ein unterschiedliches Verhalten im Zentralbereich und im Randbereich des Lichtempfangsabschnitts der CCD auf. So trifft das einfallende Licht im Randbereich des Lichtempfangsabschnitts der CCD auf die CCD Oberfläche unter einem Einfallswinkel auf, der die größte Abweichung von der senkrechten bzw. lotrechten der Lichtempfangsoberfläche der CCD aufweist.
Die 10 zeigt einfallende Lichtstrahlen, um diesen Sachverhalt zu veranschaulichen. Hierzu wird auf den linken Teil von 10 verwiesen.
Wie die 10 ferner in ihrem rechten Teil zeigt, tritt keine Änderung des Einfallswinkels der einfallenden Lichtstrahlen auf, wenn sich keine Linse auf der CCD befindet, jedoch wird bei Vorhandensein der Linse 19 auf der CCD das einfallende Licht durch die Linse 19 gebrochen bzw. abgelenkt, so daß dann die Lichtstrahlen nicht mehr senkrecht zur Lichtempfangsoberfläche der CCD verlaufen. Die Lichtstrahlen treffen dann in der Nähe des CCD Kanals 4 auf.
Da die zweite Wannenschicht 3 als Barriere für den CCD Kanal 4 vorgesehen ist, verursacht die Tatsache, daß sich die Lichtstrahlen dem CCD Kanal 4 nähern, keine weiteren Verschmierungen. Wird jedoch entlang derselben und oben beschriebenen Lichtwege intensiveres Licht empfangen, das etwa tausendmal stärker ist als die Sättigungslichtmenge, so tritt eine Variation des elektrischen Potentials auf, und zwar durch eine durch das intensiv einfallende Licht erzeugte elektrische Ladung, was zur Folge hat, daß eine große Anzahl von Elektronen in den CCD Kanal 4 fließt.
Der Anteil der Lichtkomponente, der durch die Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 reflektiert wird, vergrößert sich mit zunehmender Abweichung des auftreffenden Lichts von der senkrechten bzw, lotrechten der Lichtempfangsoberfläche der CCD, so daß die Lichtkomponente auch dadurch verstärkt wird, daß sie wiederholt reflektiert wird, und zwar sowohl durch die Siliziumoberfläche als auch durch die Lichtabschirmschicht 11, bevor sie auf die Photodiode 6 auftrifft.
Die durch die Abweichung des auftreffenden Lichts von der senkrechten bzw. lotrechten der CCD erzeugte Verschmierung läßt sich dadurch vermindern, daß der Spalt zwischen der Siliziumoberfläche und der Lichtabschirmschicht 11 verringert wird.
Diejenige Verschmierung jedoch, die durch die in den CCD Kanal 4 hineinfließenden Elektronen verursacht wird, wenn intensiveres Licht auf die CCD auftrifft, das etwa tausendmal so groß wie die Sättigungsmenge des Lichts ist, läßt sich durch die bekannte Technologie nicht verhindern.
Kurz gesagt weist also der bekannte CCD Festkörper-Bildsensor das Problem auf, daß bei Änderung der Einfallswinkelverteilung eine so starke Verschmierung auftritt, daß diese sich nicht mehr durch die Verwendung einer Linse auf der Oberfläche der CCD verhindern läßt.
Die DE 42 03 825 A1 zeigt einen CCD-Bildsensor vom Zwischenzeilenabtasttyp mit einer Vielzahl von gleichbeabstandeten Fotozellen, die in vertikaler und horizontaler Richtung in Reihe angeordnet sind. Den Fotozellen sind VCCD-Bereiche zugeordnet, über die die Ladungen abgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen CCD Festkörper-Bildsensor zu schaffen, bei dem die zuvor beschriebenen Probleme nicht mehr auftreten, und bei dem Verschmierungen der genannten Art wirksam verhindert werden können.

Lösungen der gestellten Aufgabe sind in den kennzeichnenden Teilen der nebengeordneten Patentansprüche 1, 4 und 6 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.

Um die oben erwähnte Aufgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß eine eigen leitende Wannenstruktur verwendet.

Die tiefe Wanne, die die Photodiode abdeckt, weist eine streifenförmige Form auf, wobei die Wannenstruktur in Horizontalrichtung unterteilt ist.

Die seichte Wanne, die den CCD Kanalbereich abdeckt, wird als Trennzone verwendet, um den CCD Kanalbereich gegenüber dem Siliziumsubstrat zu trennen.

Die unterhalb des CCD Kanalbereichs liegende Wanne ist so konstruiert, daß ihre Tiefe kleiner ist als die Tiefe derjenigen Wanne, die unterhalb des Photodiodenbereichs liegt, wobei eine vergrabene Wanne mit derselben Leitfähigkeit wie die des Siliziumsubstrats unterhalb des CCD Kanalbereichs gebildet ist. Dabei ist es möglich, die Tiefe der Wanne unterhalb der Trennzone zwischen den Photodioden relativ gering zu wählen und zusätzlich eine vergrabene Wanne mit derselben Leitfähigkeit wie die des Siliziumsubstrats unter der Trennzone zwischen den Photodioden vorzusehen.

Die tiefe Wanne, die zur Abdeckung der Photodiode dient, kann auch eine Insel definieren, und zwar in Übereinstimmung mit der Photodiode des Pixelbereichs, um eine separate Wannenstruktur für jeden Pixelbereich bzw. Bildpunktbereich zu erhalten. Jede Wanne nimmt dabei eine Photodiode auf.

In Übereinstimmung mit der Erfindung kann anstelle der seichten Wanne, die den CCD Kanalbereich abdeckt, auch eine vergrabene Schicht mit höherer Konzentration verwendet werden, und zwar unterhalb des CCD Kanalbereichs.

Kommt die oben erwähnte Struktur bei einem CCD Festkörper-Bildsensor zum Einsatz, so bildet der Bereich unter dem CCD Kanal das Substrat, wobei sich die seichte bzw. flache Wanne zwischen dem CCD Kanal und dem Substrat befindet.

Das Substrat wird in herkömmlicher Weise durch ein Potential vorgespannt, um Überstrahlungen und damit weichere Bildeffekte zu vermeiden. Tritt eine elektrische Ladung in den Substratbereich ein, der durch das Potential vorgespannt ist, so wird die elektrische Ladung durch das Substrat abgeführt.

Erstreckt sich der Bereich bzw. Substratbereich bis zu einer Position dicht unterhalb des CCD Kanals, so wird die elektrische Ladung, die durch einfallendes Licht in der Nähe des CCD Kanalbereichs erzeugt wird, schnell durch das Substrat abgeführt.

Der Festkörper-Bildsensor nach der Erfindung begrenzt auch die Schwankungen der Potentialverteilung, die durch die elektrische Ladung hervorgerufen wird, so daß bei ihm Verschmierungen bzw. Überstrahlungen oder Überhellungen vollständig beseitigt werden. Insbesondere tritt der sogenannte "Blooming-Effekt" nicht mehr auf. Bildet die tiefe Wanne, die die Photodiode abdeckt, eine Insel, um die Photodiode des Bildpunktbereichs bzw. Pixels aufzunehmen, und weist der Bildpunktbereich eine separate Wannenstruktur auf, so lassen sich einerseits die Photodioden voneinander trennen und andererseits die Bildeigenschaften noch weiter verbessern. Insbesondere wird erreicht, daß sich die Modulations-Transfer-Funktion (MTF) auch bei Auftreffen von intensivstem Licht nicht verschlechtert.

Wird eine begrabene Schicht mit hoher Konzentration unterhalb des CCD Kanalbereichs gebildet, so läßt sich diese als noch stärkerer Barrierenbereich verwenden. Schwankungen in der Potentialverteilung, erzeugt durch die elektrische Ladung, lassen sich daher noch weiter begrenzen, und zwar auch dann, wenn intensivstes Licht durch die CCD entlang eines Weges empfangen wird, der unter einem Winkel zur senkrechten bzw. lotrechten der lichtempfangenden Fläche der CCD verläuft.

Derart verlaufende Strahlen können somit keinen Schmiereffekt mehr hervorrufen.

Die Zeichnung stellt neben dem Stand der Technik Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Pixelbereich eines Festkörper-Bildsensors nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine Ansicht entsprechend 1, jedoch gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine Ansicht entsprechend 1, jedoch gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4a bis 4c Querschnittsdarstellungen eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei die 4a ein Horizontalschnitt des Pixelbereichs des vierten Ausführungsbeispiels, die 4b ein Vertikalschnitt des Pixelbereichs des vierten Ausführungsbeispiels und die 4c ebenfalls ein Vertikalschnitt des Pixelbereichs des vierten Ausführungsbeispiels, angepaßt an die Struktur nach 2, sind,
5 eine Ansicht entsprechend 4b, jedoch bezogen auf ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6a bis 6c Muster von Layout-Diagrammen für Wannenstrukturen in Übereinstimmung mit den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, wobei die 6a ein Layout-Muster für den bekannten Pixelbereich nach 8, die 6b ein Layout-Muster für das erste Ausführungsbeispiel nach 1 und 6c ein Layout-Muster für das vierte Ausführungsbeispiel nach den 4a und 4b sind,
7 eine Darstellung entsprechend der 1, jedoch bezogen auf ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
8 eine Querschnittsdarstellung eines Pixelbereichs eines Festkörper-Bildsensors in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik,
9 eine Querschnittsdarstellung eines Pixelbereichs eines Festkörper-Bildsensors zur Erläuterung eines Lichtfokussierungseffekts einer auf der CCD Oberfläche vorhandenen Linse, und
10 eine Querschnittsdarstellung eines Pixelbereichs eines Festkörper-Bildsensors zur Erläuterung der Wirkung von Lichtstrahlen, die unter einem Winkel relativ zur Lot- bzw. Senkrechten auf die Lichtempfangsoberfläche der CCD auftreffen.
Nachfolgend werden Festkörper-Bildsensoren nach der Erfindung näher beschrieben, und zwar beispielsweise unter Bezugnahme auf eine CCD vom Zwischenzeilen-Transistor-Typ auf einem N-Typ Siliziumwafer.
Die 1 zeigt einen Querschnitt eines Bildbereichs eines Festkörper-Bildsensors in Übereinstimmung mit einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Bildbereich bzw. Pixelbereich des ersten Ausführungsbeispiels enthält eine erste P-Typ Wannenschicht 2 auf der Oberfläche eines N-Typ Siliziumsubstrats 1, um eine Photodiode 6 abzudecken. Ferner enthält der Pixel- bzw. Bildbereich eine zweite P-Typ Wannenschicht 3, deren Tiefe bedeutend kleiner ist als diejenie der ersten Wannenschicht 2. Diese zweite Wannenschicht 3 bedeckt einen CCD Kanalbereich 4, der auf der Wannenschicht 3 zu liegen kommt. Unterhalb des CCD Kanalbereichs 4 befindet sich nicht die erste Wannenschicht 2, so daß nur die zweite Wannenschicht 3 als Trennzone zur Trennung des CCD Kanalbereichs 4 vom N-Typ Siliziumsubstrat 1 dient.
Da das N-Typ Siliziumsubstrat 1 durch positives Potential vorgespannt ist, um überschüssige Ladung abzugeben, weist die zweite Wannenschicht 3 eine hinreichend höhere Konzentration auf.
Dank dieser Konstruktion des Pixelbereichs läßt sich eine Verschmierung beträchtlich verringern, auch wenn Licht entlang eines Weges auf die CCD auftrifft, der gegenüber der senkrechten bzw. lotrechten der Lichtempfangsoberfläche der CCD geneigt ist, wie die 10 zeigt. In diesem Fall wird in der Wannenschicht keine elektrische Ladung erzeugt, sondern lediglich im N-Typ Siliziumsubstrat, wodurch sich der Verschmierungseffekt wirksam unterdrücken läßt.
Durch die Erfindung wird darüber hinaus die Änderung der Potentialverteilung infolge der durch intensives auftreffendes Licht erzeugten elektrischen Ladung begrenzt.
Die verschiedenen bzw. erforderlichen kastenförmigen Wannenstrukturen gemäß 1 sowie entsprechende Dotierungsverteilungen können mit konventionellen Ionenimplantationsverfahren nicht hergestellt werden. Seit kurzem ist es jedoch möglich, Ionen mit hoher Energie von etwa 3 MeV zu implantieren, so daß die Bildung der Wannenstruktur gemäß 1 leicht möglich ist.
Die 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel- bzw. Bildbereich in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Wannenstruktur ähnlich wie bei 1 und unter Verwendung der konventionellen Wannenherstellungstechnik gebildet.
Um die Wannenstruktur nach 2 zu erhalten, erfolgt eine Ionenimqplantation bei einer Beschleunigungsspannung von maximal etwa 180 KV, wobei weitere Wannenherstellungsschritte durchgeführt werden, zu denen auch eine Wärmebehandlung bei höherer Temperatur von etwa 1.200°C gehört, um die Wanne einzubringen. Als Ergebnis der Ionenimplantation und der Wärmebehandlung bei hoher Temperatur wird ein lateraler Diffusionsbereich erhalten, der die erste Wannenschicht 2 bildet und die Photodiode 6 abdeckt, wie die 2 erkennen läßt. Ein Teil der zweiten Wannenschicht 3 überlappt dabei die erste Wannenschicht 2, die die Photodiode 6 abdeckt, die benachbart zur zweiten Wannenschicht 3 liegt.
Existiert wie im Falle der 2 ein lateraler Diffusionsbereich in der ersten Wannenschicht 2 bzw. zur Bildung dieser Schicht, so wird derselbe Effekt wie beim Ausführungsbeispiel nach 1 erzielt, da sich der Bereich des N-Typ Siliziumsubstrats bis in den Bereich unterhalb des CCD Kanals 4 erstreckt.
Derselbe Effekt kann natürlich auch erzielt werden, wenn die Wannenstruktur so ausgebildet ist, daß sie zwischen den Ausführungsformen gemäß 1 und 2 liegt oder wenn der Überlappungsbereich zwischen den benachbarten Wannen 2 und 3 größer ist als in 2 gezeigt.
Die 3 zeit ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei ist die Form der ersten Wannenschicht 2 etwa dieselbe wie bei der konventionellen Struktur gemäß 8, jedoch ist beim dritten Ausführungsbeispiel gemäß 3 eine vergrabene Schicht 21 vorhanden, die dieselbe Leitfähigkeit aufweist wie das Siliziumsubstrat 1. Diese begrabene Schicht 21 kommt jeweils im Abstand unterhalb der zweiten Wannenschicht 3 zu liegen, die unterhalb des CCD Kanalbereichs 4 liegt.
Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel wird derselbe Effekt wie beim zuvor erwähnten ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 erzielt. Die begrabene Schicht 21 weist dieselbe Leitfähigkeit wie das Substrat 1 auf und wird vorzugsweise durch das bereits zuvor erwähnte Hochenergie-Ioneniniplantationsverfahren gebildet.
Bei den drei Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 3 liegt jeweils zwischen den beiden Photodioden 6 die zweite Wannenschicht 3 parallel zur Substratoberfläche, wobei die zweite Wannenschicht 3 in ihren jeweiligen Endbereichen mit der jeweils benachbarten Photodiode 6 in Kontakt steht. Auf der zweiten Wannenschicht 3 liegt der schichtförmig ausgebildete CCD Kanalbereich 4, der in seinem rechtsseitigen Stirnseitenbereich in den 1 bis 3 noch von der zweiten Wannenschicht 3 abgedeckt ist, so daß er dort nicht die benachbarte Photodiode 6 berührt. Zwischen der anderen Stirnseite des CCD Kanalbereichs 4 und der ihr gegenüberliegenden Photodiode 6 befindet sich ein Kanalstoppbereich 5. Auf den Photodioden 6 kommen Löchersammelschichten 7 zu liegen. Die so gebildete Struktur wird durch einen Elektrodenisolationsfilm 8 abgedeckt. Übertragungselektroden 9 liegen jeweils auf dem Elektrodenisolationsfilm 8 und dem CCD Kanalbereich 4 gegenüber. Die Übertragungselektroden 9 werden durch Isolationsfilme 10 abgedeckt, auf denen Lichtabschirmschichten 11 zu liegen kommen. Diese Lichtabschirmschichten 11 sind jedoch nicht im Bereich der Photodioden 6 vorhanden. Die gesamte so erhaltene Struktur ist durch eine lichtdurchlässige Schutzschicht 12 abgedeckt.
Die ersten Wannenschichten 2 sind nur um die Photodioden 6 herum gebildet und liegen zwischen dem N-Typ Siliziumsubstrat 1 und den Photodioden 6, wobei sie sich um die Photodioden 6 herum so erstrecken, daß sie von der linksseitigen zur rechtsseitigen zweiten Wannenschicht 3 reichen, sich mit diesen überlappen und diese berühren. Das N-Typ Siliziumsubstrat 1 oder die vergrabene Schicht 21 reichen dabei in den Bereich zwischen den beiden Photodioden 6 hinein und erstrecken sich in Richtung zur zweiten Wannenschicht 3 bzw. zum CCD Kanalbereich 4. Dabei kann das Siliziumsubstrat 1 die zweite Wannenschicht 3 berühren (1) oder sich spitzenförmig in den Bereich zwischen den Photodioden 6 hineinerstrecken (2). Gemäß 2 müssen sich die jeweils ersten Wannenschichten 2 unterhalb des CCD Kanalbereichs 4 nicht berühren, können also auch weiter auseinander liegen, oder sich aber auch überlappen, so daß nur eine kleinere Spitze der Siliziumschicht 1 in diesem Abschnitt erhalten wird. Auch könnte die begrabene Schicht 21 gemäß 3 direkt die zweite Wannenschicht 3 berühren.
Die 4a und 4b zeigen jeweils Vertikalschnitte in zueinander senkrechten Richtungen durch einen Pixel- bzw. Bildpunktbereich eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wobei die 4a einen entsprechenden Schnitt zeigt wie die 1. Dieser soll nachfolgend als Horizontalschnitt bezeichnet werden. Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel sind die ersten Wannenschichten 2, die die Photodioden 6 abdecken, sowohl in Horizontalrichtung (4a) als auch in Vertikalrichtung (4b) voneinander getrennt, so daß diese ersten Wannenschichten 2 der Bildpunktbereiche voneinander unabhängige Inseln bilden.
Dadurch wird erreicht, daß der Einfluß von Verschmierungs- und Überstrahlungs- bzw. Überhellungseffekten noch weiter gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 verringert werden kann. Auch intensivstes einfallendes Licht kann somit diesbezüglich nicht zu verschlechterten Bildergebnissen führen. Eine Verschlechterung des MTF läßt sich somit wirksam verhindern.
Die 4c zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Pixelbereich des vierten Ausführungsbeispiels, wobei dieser Schnitt wie bei 4b liegt, während jedoch die ersten Wannenschichten 2 wie bei 2 ausgebildet sind. Entsprechend wird auch bei dem Ausführungsbeispiel nach 4c derselbe Effekt wie bei den Strukturen nach den 4b bzw. 2 erhalten.
Die 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hier entspricht die allgemeine Form der ersten Wannenschicht 2 derjenigen Wannenschicht 2 bei der konventionellen Struktur nach 8. Jedoch ist beim fünften Ausführungsbeispiel eine begrabene Schicht 21 vorhanden, die dieselbe Leitfähigkeit aufweist wie das Siliziumsubstrat 1, wobei die begrabene Schicht 21 jeweils unterhalb eines Pixeltrennbereichs 5 (Kanalstoppbereich) zu liegen kommt, der sich zwischen zwei benachbarten Photodioden 6 erstreckt.
Dieses fünfte Ausführungsbeispiel führt zu denselben Ergebnissen wie das vierte Ausführungsbeispiel gemäß 4b.
Die begrabene Schicht 21 weist dieselbe Leitfähigkeit wie das Substrat 1 auf und wird vorzugsweise durch das bereits eingangs erwähnte Hochenergie-Ionenimplantationsverfahren hergestellt, wie auch die beim dritten Ausführungsbeispiel gemäß 3 erwähnte Schicht 21.
Gemäß 4a liegt der CCD Kanalbereich 4 wiederum auf der zweiten Wannenschicht 3, die sich jetzt jedoch zwischen dem Kanalstoppbereich 5 linksseitig und der Photodiode rechtsseitig erstreckt. Der CCD Kanalbereich 4 wird links von der Kanalstoppschicht 5 und rechts von der zweiten Wannenschicht 3 eingegrenzt. Die Kanalstoppschicht kommt zwischen der linksseitigen Photodiode und den jeweiligen Stirnseiten der Schichten 3 und 4 zu liegen. Die die linke Photodiode 6 umgebende erste Wannenschicht 2 zwischen Substrat 1 und Photodiode 6 überlappt sich linksseitig mit der zweiten Wannenschicht 3 und rechtsseitig mit dem Kanalstoppbereich 5 und der zweiten Wannenschicht 3, was bei der rechten Photodiode 6 ebenfalls der Fall ist. Zwischen beiden ersten Wannenschichten 2 ragt das Siliziumsubstrat 1 bis zur zweiten Wannenschicht 3 hoch.
Gemäß den 4b und 4c sind die jeweiligen Photodioden 6 seitlich durch die Pixeltrennbereiche 5 eingegrenzt, berühren diese also. Die ersten Wannenschichten 2 zwischen Substrat 1 und Photodioden 6 verlaufen daher um diese herum von Pixeltrennbereich 5 zu Pixeltrennbereich 5. Zwischen beiden ersten Wannenschichten 2 ragt wiederum das Substrat 1 hoch, und zwar bis zum Pixeltrennbereich 5 zwischen den beiden Photodioden 6.
Bei 4c liegen ähnliche Verhältnisse vor, jedoch berühren sich hier die ersten Wannenschichten 2, allerdings nur in der unmittelbaren Nähe des Pixeltrennbereichs 5. Dies führt dazu, daß sich das Substrat 1 spitzenförmig in den Bereich zwischen den beiden Photodioden 6 in Richtung zur Schicht 5 erstreckt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 5 ragt die begrabene Schicht 21 ausgehend vom Siliziumsubstrat 1 in Richtung zum Bereich 5 zwischen den beiden Dioden 6 und kann diesen Bereich 5 ggf. auch berühren. Abweichend hiervon ist in 5 noch ein Rest der Schicht 2 zwischen dem Bereich 21 und der Schicht 5 vorhanden.
Die 6a bis 6c zeigen Draufsichten auf Layout-Muster von ersten Wannen 15, CCD Kanälen 16 und Photodioden 17, die jeweils auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats gebildet werden. 6 entspricht dabei dem Ausführungsbeispiel nach 8, während die 6b das Ausführungsbeispiel nach 1 zeigt und die 6c das vierte Ausführungsbeispiel nach den 4a und 4b.
Die ersten Wannen 15 nach 6a überdecken alle den Pixelbereich, während jedoch die ersten Wannen 15 nach 6b einen streifenförmigen Bereich unterhalb eines jeweiligen CCD Kanals 16 freilassen. Die ersten Wannen 15 nach 6c sind dagegen voneinander getrennt, und zwar in Horizontalrichtung in 6c als auch in Vertikalrichtung in 6c, um Inseln zu bilden.
Der Ausdruck Horizontalrichtung für das Beispiel gemäß 4a bezieht sich auf die Definition gemäß 6c.
Die 7 zeigt einen Horizontalschnitt durch einen Pixelbereich in Übereinstimmung mit einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei dieser Schnitt demjenigen von 1 gleicht. Der Ausdruck "horizontal" bezieht sich wiederum auf die Definition gemäß 6c.
Bei der Erfindung befindet sich vorzugsweise ein P⁺-Bereich unterhalb des CCD Kanalbereichs 4, um den CCD Kanalbereich 4 vollständig vom N-Typ Siliziumsubstrat 1 zu trennen, das durch positives Potential vorgespannt ist, und um zuverlässig Potentialänderungen zu begrenzen, die durch elektrische Ladungen hervorgerufen werden, welche durch intensives einfallendes Licht erzeugt werden.
Werden allerdings alle die genannten Wannen so hergestellt, daß sie eine höhere Konzentration aufweisen, so ergibt sich ein Problem bei der Übertragung der elektrischen Ladung von der Photodiode 6 zur CCD.
In dieser Hinsicht wird vorgeschlagen, eine begrabene P⁺-Schicht 13 mit höherer Konzentration nur im Bereich unterhalb des CCD Kanals 4 zu bilden, wie die 7 erkennen läßt.
Durch die begrabene P⁺-Schicht 13 mit höherer Konzentration wird die CCD Kanalschicht 4 zuverlässig vom Siliziumsubstrat 1 getrennt, wodurch sich sowohl Verschmierungen als auch Aufhellungen bzw. Überstrahlungen (sogenanntes Blooming) weitestgehend unterdrücken lassen.
Es ist klar, daß die begrabene P⁺-Schicht 13 mit höherer Konzentration auch bei irgendeinem der zuvor erwähnten ersten bis fünften Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung zum Einsatz kommen kann und zu denselben Effekten führt wie beim sechsten Ausführungsbeispiel gemäß 7.
Die oben beschriebenen Ausdrücke "Horizontalrichtung" und "Vertikalrichtung" beziehen sich auf Richtungen z. B. im Bild eines Fernsehempfängers. Dabei ist die Vertikalrichtung in der Praxis gleich der Signalladungs-Übertragungsrichtung im Pixelbereich der CCD, während die Horizontalrichtung senkrecht zur obigen Vertikalrichtung verläuft.
Natürlich kann die Wannenstruktur nach der Erfindung auch bei eindimensionalen Festkörper-Bildwandlern und nicht nur bei den oben erwähnten zweidimensionalen Festkörper-Bildwandlern zum Einsatz kommen und liefert dort auch dieselben Ergebnisse, die zuvor erläutert wurden.

Claims

Festkörper-Bildsensor mit vertikaler Überlauf-Drainstruktur, bei dem eine Photodiode (6) und eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD) zum Einsatz kommen, gekennzeichnet durch: – eine erste Wanne (2) zur Abdeckung der Photodiode (6), und – eine zweite Wanne (3) zur Abdeckung eines CCD Kanalbereichs (4), die eine geringere Tiefe als die erste Wanne (2) aufweist, wobei die zweite Wanne (3) als Trennzone zur Trennung des CCD-Kanalbereichs (4) von einem Halbleitersubstrat (1) wenigstens in einem Pixel- bzw. Bildpunktbereich dient.
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wanne (2) eine streifenförmige Struktur aufweist.
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wanne (2) die Form einer Insel aufweist, auf der sich die Photodiode (6) befindet.
Festkörper-Bildsensor mit vertikaler Überlauf-Drainstruktur, bei dem eine Photodiode (6) und eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD) zum Einsatz kommen, gekennzeichnet durch: – eine erste Wanne (2) zur Abdeckung der Photodiode (6), und – eine vergrabene Schicht (13) zur Abdeckung eines CCD Kanalbereichs (4), die eine Tiefe aufweist, die kleiner ist als die der ersten Wannenschicht (2), wobei die vergrabene Schicht (13) eine gegenüber einem Halbleitersubstrat (1) entgegengesetzte Leitfähigkeit und ferner eine hohe Konzentration aufweist sowie als Trennzone zur Trennung des CCD Kanalbereichs (4) vom Halbleitersubstrat (1) wenigstens in einem Pixel- bzw. Bildpunktbereich dient.
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der zweiten Wanne (3) sich mit der ersten Wanne (2) überlappt, die die Photodiode (6) abdeckt, welche benachbart zur zweiten Wanne (3) liegt.
Festkörper-Bildsensor mit vertikaler Überlauf-Drainstruktur, bei dem eine Photodiode (6) und eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD) zum Einsatz kommen, gekennzeichnet durch: – eine erste Wanne (2) zur Abdeckung eines gesamten Pixel- bzw. Bildpunktbereichs und unterhalb eines CCD Kanalbereichs (4), wobei die erste Wanne (2) bereichsweise eine relativ geringe Tiefe aufweist bzw. seicht ist, und – eine zweite Wanne (3) mit streifenförmiger Struktur, die zur Abdeckung des CCD Kanalbereichs (4) dient und in der ersten Wanne (2) liegt, wobei die zweite Wanne (3) eine Tiefe aufweist, die kleiner ist als die der ersten Wanne (2).
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine vergrabene Schicht (21), die dieselbe Leitfähigkeit aufweist wie ein Halbleitersubstrat (1), und die mit der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) in Kontakt steht, um die Tiefe der ersten Wanne (2), die den gesamten Pixel- bzw. Bildpunktbereich abdeckt, partiell zu verringern.
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wanne (2) partiell in ihrer Tiefe verringert ist, und zwar in einem Gebiet, das den Pixel- bzw. Bildpunktbereich in Vertikalrichtung unterteilt.
Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine vergrabene Schicht (21), die dieselbe Leitfähigkeit wie ein Halbleitersubstrat (1) aufweist, wobei die vergrabene Schicht (21) mit der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) in Kontakt steht, um die Tiefe der ersten Wanne (2), die den gesamten Pixel- bzw. Bildpunktbereich abdeckt, partiell in einem Gebiet zu verringern, das den Pixel- bzw. Bildpunktbereich in Vertikalrichtung unterteilt.