DE4203837A1 - Ccd-bildsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen CCD-Bildsensor, insbesondere für ein Zwischenzeilen-Transferverfahren.

Allgemein ist ein CCD-Bildsensor für das Zwischenzeilen- Transferverfahren in einer Ebene gebildet, um im Verhältnis 1 : 1 mit einem lichtelektrischen Sensor und einem Signalüber­ tragungsbereich übereinzustimmen, und wird in Heimgeräten wie einem Fernsehempfänger und einem Camcorder verwendet, wo ge­ genüber einem Rundfunkgerät oder einem militärischen Gerät, die eine große Bildkraft erfordern, keine große Bildkraft verlangt wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3-6 wird ein konventioneller CCD-Bildsensor für das bekannte Zwischenzeilen-Transferver­ fahren erläutert.

Im folgenden wird die ungeradzahlige Horizontalzeile, auf der die Fotodiode 31 angeordnet ist, als ungerade Horizontalzeile und die geradzahlige Horizontalzeile als gerade Horizontal­ zeile bezeichnet.

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild des CCD-Bildsensors des kon­ ventionellen Zwischenzeilen-Transferverfahrens, und eine Fotodiode 31 ist nacheinander jeweils entsprechend einem vertikalen CCD-Bereich bzw. VCCD-Bereich 32 angeschlossen, und jede Fotodiode 31 ist mit dem VCCD-Bereich 32 so ver­ bunden, daß sie eine auszugebende Bildsignalladung nur in einer Richtung an den VCCD-Bereich 32 überträgt, wobei jeder VCCD-Bereich 32 mit einem horizontalen CCD-Bereich bzw. HCCD- Bereich 33 so verbunden ist, daß die Bildsignalladung von jeder Fotodiode 31 gleichzeitig durch einen Vierphasentakt­ betrieb nach Maßgabe des ersten bis vierten Taktsignals V01-V04 zu dem HCCD-Bereich übertragen wird.

Ferner sind ein Ausgangsgate 34, ein Float-Diffusionsbereich 35, eine Rücksetzgate-Elektrode 36 und der Rücksetz-Drain 37 nacheinander mit der Ausgangsseite des HCCD-Bereichs ver­ bunden, und ein Leseverstärker 38 ist mit dem Float-Diffu­ sionsbereich 35 verbunden.

Fig. 4 ist ein Teil einer Schaltungsauslegung des CCD-Bild­ sensors nach Fig. 3; zwischen dem VCCD-Bereich 32 und der Fotodiode 31 ist ein Kanalsperrbereich gebildet, und die ungerade Steuerelektrode 40, der das erste VCCD-Taktsignal und das zweite Taktsignal V01 und V02 zugeführt sind, ist auf der Oberseite des Kanalstoppbereichs und des VCCD-Bereichs 32 gebildet, so daß sie mit jedem Transfergate 41 der auf der ungeraden Horizontalzeile angeordneten Fotodioden 31 ver­ bunden ist, und die gerade Gateelektrode 42, der das dritte und das vierte VCCD-Taktsignal V03 und V04 zugeführt sind, ist auf der Oberseite des VCCD-Bereichs 32 und des Kanal­ stoppbereichs 39 gebildet und daher mit jedem Transfergate 43 der Fotodioden 31 auf der geraden Horizontalzeile verbunden.

Da die ungerade Gateelektrode 40 und die gerade Gateelektrode 42 vom gleichen Typ sein müssen, können sie aufeinanderfol­ gend wiederholt gebildet sein, und die ungerade Gateelektrode 40 und die gerade Gateelektrode 42 (nicht gezeigt) sind durch Isoliermaterial elektrisch voneinander getrennt.

Das Material jedes Transfergates 41, 43 und jeder ungeraden und geraden Gateelektrode 40, 42 enthält Polysilicium. Die vorgenannte ungerade Gateelektrode 40 ist an der Unterseite der Fotodiode 31 der ungeraden Horizontalzeile und an der Oberseite der Fotodioden 31 der ungeraden Horizontalzeile gebildet und besteht aus der zweiten ungeraden Gateelektrode 40b, die mit jedem Transfergate 41 der Fotodiode verbunden ist und an die das erste VCCD-Taktsignal V01 geführt ist, und der Fotodiode 31 auf jeder Horizontalzeile.

Die gerade Gateelektrode 42 ist an der Unterseite der Foto­ dioden 31 der geraden Horizontalzeile und an der Unterseite der Fotodioden 31 der geraden Horizontalzeile und der ersten Gateelektrode 42a, an die das vierte VCCD-Taktsignal V04 an­ gelegt ist, gebildet und besteht aus der zweiten geraden Gateelektrode 42b, die mit dem Transfergate 43 der Fotodioden 31 verbunden ist, an die das dritte VCCD-Taktsignal V03 ange­ legt ist und die an der geraden Horizontalzeile gebildet sind.

Ferner sind die beiden Felder, und zwar das gerade Feld und das ungerade Feld, am ersten bis vierten VCCD-Taktsignal V01-V04 ausgebildet, und die Funktionsweise zum Takten des VCCD-Bereichs wird im einzelnen erläutert.

Fig. 5 ist ein Querschnitt entlang der Linie a-a′ von Fig. 4; dabei ist eine p-leitende Potentialmulde 45 auf dem n-leiten­ den Substrat 44 geformt, und der n-leitende VCCD-Bereich 32 der n-leitenden Fotodioden 31 an der geraden Horizontalzeile ist aufeinanderfolgend in dem vorbestimmten Abstand gebildet und durch den Kanalstoppbereich 39 gekoppelt, und das Trans­ fergate 43 zur Übertragung der Ladung ist an der Oberseite zwischen jeder der Fotodioden 31 und dem VCCD-Bereich 32 ge­ bildet, und die zweite gerade Gateelektrode 42b, an die das dritte VCCD-Taktsignal V03 angelegt wird, ist an der Ober­ seite jedes VCCD-Bereichs 32 gebildet, um jedes Transfergate 43 der Fotodioden 31 der geraden Horizontalzeile zu verbin­ den. Die p⁺-leitende Dünnschicht 46 ist auf der Oberfläche jeder Fotodiode 31 gebildet, um normalerweise die Anfangs­ vorspannung aufzubringen. Der so aufgebaute CCD-Bildsensor für das konventionelle Zwischenzeilen-Transferverfahren arbeitet wie folgt.

Die an den Fotodioden 31 von der VCCD-Taktsignalspannung, die an die Gateelektrode 42 von Fig. 5 angelegt wird, erzeugte Bildsensorladung wird zum VCCD-Bereich und danach zum HCCD- Bereich 33 von Fig. 3 übertragen. Dabei ändert sich der Potentialverlauf aus dem VCCD-Bereich 32 gemäß Fig. 6 mit dem Potentialverlauf der Linie b-b′ von Fig. 5. In Fig. 6 ist bekannt, daß der Potentialverlauf allmählich nach unten geht, wenn die VCCD-Taktsignalspannung von V1 auf V4 verringert wird.

Es ist jedoch bekannt, daß der Potentialverlauf aus dem VCCD- Bereich nicht weiter abfällt, obwohl die Spannung des VCCD- Taktsignals unter die Spannung V4 gemäß Fig. 6 abfällt, weil an die p-leitende Potentialmulde 45 von Fig. 5 die Spannung 0 V der Massevorspannung angelegt wird und an den Kanalstopp­ bereich 39 ebenfalls die Massevorspannung von 0 V angelegt wird. Dabei wird der Punkt, von dem aus der Potentialverlauf nicht weiter abwärts geht, normalerweise als Haftspannung (Pinning-Spannung) bezeichnet.

Bei dem CCD-Bildsensor für das konventionelle Zwischenzeilen- Transferverfahren nach Fig. 5 wird infolgedessen die VCCD- Signalspannung zwar auf einen Pegel unterhalb der Spannung V4, V01 gebracht, aber diese negative Spannung wird nur an die Isolationsschicht angelegt (diese ist nicht gezeigt, ist aber zwischen der Oberfläche des VCCD-Bereichs 32 und der Gateelektrode 42 gebildet) und hat keine Auswirkung im VCCD- Bereich 32.

Schließlich ist die Möglichkeit, den Transfer-Wirkungsgrad der Bildsignalladung aus dem VCCD-Bereich nach den Erforder­ nissen des Anwenders zu steuern, sehr begrenzt.

Die beschriebene konventionelle Einrichtung kann die Haft­ spannung nicht weiter verringern, obwohl an die Gateelektrode eine große negative Spannung angelegt wird, weil die Haft­ spannung nur durch das VCCD-Ausgangssignal bestimmt ist. Da also die Transferbreite des Potentialverlaufs aus dem VCCD- Bereich begrenzt ist, können der Widerstands-Kapazitäts-Wert der Bildsignalladung und der Wirkungsgrad des Ladungstrans­ fers nicht maximiert werden.

Der vorstehend beschriebene Stand der Technik ist in IEEE Transaction on Electro Devices, Bd.38, Nr.5, Mai 1991, ge­ zeigt.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines CCD-Bild­ sensors, bei dem der Speicher-Wirkungsgrad einer Bildsignal­ ladung und der Transfer-Wirkungsgrad im VCCD-Bereich durch Verringerung der Haftspannung (Pinning-Spannung) maximiert sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung die p-lei­ tende Potentialmulde auf dem n-leitenden Substrat geformt, und die n-leitende Fotodiode und der n-leitende VCCD-Bereich sind wiederholt alternierend auf der Oberfläche der p-leiten­ den Potentialmulde gebildet, und der p⁺-leitende Kanalstopp­ bereich ist an einem Randteil des n-leitenden VCCD-Bereichs gebildet. Dabei ist die Elektrode zum Anlegen der Haftspan­ nung Vp an jeder p⁺-Schicht des Kanalstoppbereichs vorgese­ hen. Infolgedessen kann die Haftspannung gesenkt werden, wo­ durch die Transferbreite des Potentialverlaufs im VCCD-Be­ reich vergrößert wird.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen CCD-Bildsensor gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Potentialdiagramm der Vorrichtung von Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines CCD-Bildsensors eines allgemeinen Zwischenzeilen-Transferverfahrens;

Fig. 4 ein Schaltbild eines bestimmten Teils;

Fig. 5 einen Vertikalschnitt eines CCD-Bildsensors für das konventionelle Zwischenzeilen-Transferverfahren; und

Fig. 6 ein Potentialdiagramm der Vorrichtung von Fig. 3.

Die Zeichnungen enthalten die folgenden wesentlichen Teile:

 1 = n-leitendes Substrat
 2 = p-leitende Potentialmulde
 3 = VCCD-Bereich
 4 = Fotodiode
 5 = p⁺-leitender Kanalstoppbereich
 6 = Transfergateelektrode
 7 = Gateelektrode
 8 = p⁺-leitende Dünnschicht
 9 = Anschlußstelle mit angelegter Haftspannung
10 = Verschlußspannung - angelegte Energie

Nachstehend wird der CCD-Bildsensor im einzelnen erläutert.

Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt des CCD-Bildsensors, wobei das CCD-Bildsensor-Blockschaltbild demjenigen von Fig. 3 ent­ spricht. Der Vertikalschnitt zeigt die folgenden Einzel­ heiten.

Es ist eine p-leitende Potentialmulde 2 gebildet, und die n- leitende Fotodiode 3 und der n-leitende VCCD-Bereich 4 sind wiederholt alternierend auf der Oberfläche der p-leitenden Potentialmulde 2 gebildet, und der p⁺-leitende Kanalstopp­ bereich 6 mit jeweils vorbestimmter Breite ist an beiden Rändern des n-leitenden VCCD-Bereichs 4 gebildet.

Die Dichte des den p⁺-leitenden Bereich abschirmenden n- leitenden VCCD-Bereichs 4 ist hier geringer und n⁻-leitend gegenüber der Dichte des gleichen n-leitenden VCCD-Bereichs 4, und daher ist sein Potential höher als das der übrigen Teile. Die Funktionsweise des so aufgebauten CCD-Bildsensors wird nachstehend erläutert.

Die von der Fotodiode 3 erzeugte Bildsignalladung wird zum VCCD-Bereich 4 aufgrund der an die Gateelektrode 7 angelegten VCCD-Taktsignalspannung übertragen (Fig. 1), und dann wird die zum VCCD-Bereich übertragene Bildsignalladung zu den HCCD-Bereichen 33 gemäß Fig. 3 übertragen.

Fig. 2 ist das Potentialdiagramm entlang der Linie c-c′ von Fig. 1 und zeigt den Potentialverlauf aus dem VCCD-Bereich 4 entsprechend der Größe der an die Gateelektrode 7 angelegten VCCD-Taktsignalspannung. Es ist bekannt, daß das Potential allmählich abfällt, da der Potentialverlauf zwischen V1 und V5 der an die Gateelektrode angelegten VCCD-Taktsignalspan­ nung veränderlich ist. Hier steht die an die obige Gate­ elektrode 7 angelegte negative Haftspannung nur mit der Oxidschicht zwischen dem VCCD-Bereich 4 und der Gateelektrode 7 (nicht gezeigt) in Beziehung und hat keine Auswirkung auf die Potentialverteilung des VCCD-Bereichs 4.

Da die negative Spannung gleichmäßig angelegt wird und die VCCD-Taktsignalspannung veränderlich ist, und zwar aufgrund des mit der Haftspannung beaufschlagten Anschlusses mit dem p⁺-leitenden Kanalstoppbereich 6 von Fig. 1, wird die Haft­ spannung verringert, und daher geht auch der Potentialverlauf nach unten. Wenn beim Stand der Technik der Grad der Verän­ derlichkeit zwischen V1 und V3 liegt, so ist die Erfindung zwischen V1 und V5 veränderlich, und infolgedessen beträgt der Grad der Veränderlichkeit ΔVp.

Da gemäß der obigen Beschreibung die negative Spannung mit einem vom Benutzer geforderten Wert über den die Haftspannung führenden Anschluß 9 des Kanalstoppbereichs 6 angelegt wird, wird die Transferbreite des Potentialverlaufs vergrößert, und die Speicherkapazität der Ladung sowie der Wirkungsgrad des Ladungstransfers werden maximiert, wobei:

ΔQ = CΔV (1).

Aus der auf die Ladungskapazität bezogenen obigen Gleichung ist bekannt, daß mit zunehmendem ΔV gemäß der Erfindung die Speicherkapazität der Ladung größer und gleichzeitig der Wirkungsgrad des Ladungstransfers maximiert wird.

Claims (4)

1. CCD-Bildsensor, gekennzeichnet durch
eine Potentialmulde (2) vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf einem Substrat vom ersten Leitfähigkeitstyp und eine entge­ gengesetzte Polarität auf dem Substrat vom ersten Leitfähig­ keitstyp,
die wiederholte alternierende Ausbildung des Fotodetektor­ bereichs (3) vom ersten Leitfähigkeitstyp und des vergrabenen Kanalbereichs bzw. BCCD-Bereichs (4) vom ersten Leitfähig­ keitstyp auf der Oberfläche der Potentialmulde (2) vom zwei­ ten Leitfähigkeitstyp, und
die Ausbildung des Kanalstoppbereichs (6) vom zweiten Leitfähigkeitstyp mit jeweils vorbestimmter Breite in den beiden Randteilen des BCCD-Bereichs (4).

2. CCD-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (7) zum Anlegen der Haftspannung am Kanal­ stoppbereich (6) angeordnet ist.

3. CCD-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der BCCD-Bereich (4) so ausgebildet ist, daß die Dichte des den Kanalstoppbereich (6) abschirmenden Teils geringer als im übrigen Teil ist.

4. CCD-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialmulde (2) vom zweiten Leitfähigkeitstyp so ausgebildet ist, daß der flache Muldenteil an der Unterseite des Fotodetektorbereichs (3) und der tiefe Muldenteil an der Unterseite des BCCD-Bereichs (4) gebildet ist.