DE4203837C2

DE4203837C2 - CCD-Bildsensor mit verbessertem Speicher- und Transferwirkungsgrad

Info

Publication number: DE4203837C2
Application number: DE4203837A
Authority: DE
Inventors: Hun Jun Jung
Original assignee: Goldstar Electron Co Ltd
Current assignee: Intellectual Ventures II LLC
Priority date: 1991-02-13
Filing date: 1992-02-10
Publication date: 2002-03-21
Anticipated expiration: 2012-02-11
Also published as: JP2572181B2; JPH0661469A; US5313080A; DE4203837A1; KR920017285A

Description

Die Erfindung betrifft einen CCD-Bildsensor, insbesondere einen CCD-(Charged Coupled Device)-Bildsensor nach der Interline- Wandler-Methode (Zwischenzeilen-Abtast-Typ).

Im allgemeinen wird ein CCD-Bildsensor des Zwischenzeilen- Abtast-Typs auf einer Fläche gebildet, um im Verhältnis 1 : 1 mit einem Fotosensor und einem Signalübertragungsbereich übereinzustimmen und wird in Heimgeräten, wie einem Camcorder, verwendet, wo gegenüber einem militärischen Gerät kein hohes Maß an Bildqualität oder Stabilität verlangt wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 6 wird ein bekannter CCD-Bildsensor des bekannten Zwischenzeilen-Abtast-Typs erläutert, wie dies beispielsweise aus der US 4 527 182 bekannt ist.

Im folgenden werden die ungeradzahligen Horizontalzeilen, auf denen Fotodioden 31 angeordnet sind, jeweils als ungerade Horizontalzeile bezeichnet, während die geradzahligen Horizontalzeilen, auf denen weitere Photodioden 31 angeordnet sind, als gerade Horizontalzeilen bezeichnet werden.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild des CCD-Bildsensors des bekannten Zwischenzeilen-Abtast-Typs, wobei jede Fotodiode 31 an einen entsprechenden vertikalen CCD-Bereich, d. h. VCCD- Bereich 32, angeschlossen ist. Jede Fotodiode 31 ist mit dem VCCD-Bereich 32 derart verbunden, daß sie eine auszulesende 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 derart verbunden ist, daß die Bildsignalladung einer jeden Fotodiode 31 gleichzeitig durch einen Vierphasentaktbetrieb nach Maßgabe des ersten bis vierten Taktsignals V∅1-V∅4 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 verbun den, und ein Leseverstärker 38 ist mit dem Float-Diffusions bereich 35 verbunden. Taktsignalspannungen H∅1-H∅2 transpor tieren die Bildsignalladungen zu dem Ausgangsgate 34.

Fig. 4 zeigt einen Teil einer Schaltungsauslegung des CCD- Bildsensors nach Fig. 3. Zwischen dem VCCD-Bereich 32 und der Fotodiode 31 ist ein Kanalstoppbereich gebildet, und die un gerade Steuerelektrode 40, der das erste VCCD-Taktsignal und das zweite Taktsignal V∅1 und V∅2 zugeführt wird, 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 verbunden ist. Die gerade Gateelektrode 42, der das dritte und vierte VCCD-Taktsignal V∅3 und V∅4 zugeführt wird, ist auf der Oberseite des VCCD-Bereichs 32 und des Kanalstoppbereichs 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 aufeinanderfolgend wiederholt gebildet sein, wobei die ungerade Gateelektrode 40 und die gerade Gateelektrode 42 durch Isoliermaterial elek trisch voneinander getrennt sind (nicht gezeigt).

Das Material jedes Transfergates 41, 43 und jeder ungeraden und geraden Gate-Elektrode 40, 42 enthält Polysilizium. Die vorgenannte ungerade Gateelektrode 40 ist an der Unterseite und Oberseite der Fotodioden 31 der ungeraden Horizontalzeilen gebildet und enthält eine zweite ungerade Teilelektrode, die mit jedem Transfergate 41 der Fotodioden 31 verbunden ist und an die das erste VCCD-Taktsignal V∅1 geführt wird.

Die gerade Gateelektrode 42 ist an der Unterseite und Ober seite der Fotodioden 31 der geraden Horizontalzeile gebildet. An die erste Teilelektrode wird das vierte VCCD-Taktsignal V∅4 angelegt. Die zweite gerade Teilelektrode 42 ist mit dem Transfergate 43 der Fotodioden 31 verbunden. An diese wird das dritte VCCD-Taktsignal V∅3 angelegt.

Die Funktionsweise des Taktens des VCCD-Bereichs wird nach folgend im einzelnen erläutert.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie a-a' der Fig. 4; dabei ist eine p-leitende Potentialschicht 45 auf einem n-leitenden Substrat 44 geformt. Der n-leitende VCCD- Bereich 32, und die n-leitenden Fotodioden 31 sind an der ge raden Horizontalzeile aufeinanderfolgend in einem vorbe stimmten Abstand gebildet und mit dem Kanalstoppbereich 39 gekoppelt. Das Transfergate 43 zur Übertragung der Ladung ist an der Oberseite zwischen jeder der Fotodioden 31 und dem VCCD-Bereich 32 gebildet, während die zweite gerade Teilelek trode 42, an die das dritte VCCD-Taktsignal V∅3 angelegt wird, an der Oberseite jedes VCCD-Bereichs 32 gebildet ist, um jede der Fotodioden 31 der geraden Horizontalzeilen mit dem VCCD zu verbinden. Die p⁺-leitende Dünnschicht 46 ist auf der Oberfläche jeder Fotodiode 31 gebildet, um im Normalfall die Anfangsspannung aufzubringen. Der so aufgebaute CCD-Bildsensor für das herkömmliche Zwischenzeilen-Abtast-Verfahren 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 entlang der Linie b-b' von Fig. 5.

In Fig. 6 ist gezeigt, daß der Potentialverlauf allmählich nach unten geht, wenn die VCCD-Taktsignalspannung von V1 auf V4 verringert wird.

Es ist jedoch bekannt, daß der Potentialverlauf in 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 Potentialschicht 45 von Fig. 5 die Spannung 0 V der Massevorspannung 10 angelegt wird und an dem Kanal stoppbereich 39 ebenfalls die Massevorspannung 10 von 0 V anliegt. Dabei wird der Punkt, von dem aus der Potential verlauf nicht weiter abwärts geht als Haftspannung (Pinning- Spannung) bezeichnet.

Bei dem CCD-Bildsensor für das konventionelle Zwischenzeilen- Abtast-Verfahren nach Fig. 5 wird infolgedessen die VCCD- Signalspannung zwar auf einen Pegel unterhalb der Spannung V4, V∅1 gebracht, aber diese negative Spannung wird nur an die Isolationsschicht angelegt (diese ist nicht gezeigt, befindet sich aber zwischen der Oberfläche des VCCD-Bereichs 32 und der Gateelektrode 42) und hat keine Auswirkung im VCCD-Bereich 32. Folglich ist die Möglichkeit sehr begrenzt, den Transfer- Wirkungsgrad der Bildsignalladung aus dem VCCD-Bereich nach den Erfordernissen des Anwenders zu steuern.

Die beschriebene konventionelle Einrichtung kann die Spannung nicht unter die Haftspannung verringern, obwohl an die Gate elektrode eine große negative Spannung angelegt wird. Da also die Breite des Potentialverlaufs im VCCD-Bereich begrenzt ist, kann der Wirkungsgrad des Ladungstransfers und die Speicherfähigkeit von Bildsignalladungen nicht maximiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines CCD- Bildsensors, bei dem der Speicher-Wirkungsgrad und der Transfer-Wirkungsgrad im VCCD-Bereich durch Verringerung der Haftspannung (Pinning-Spannung) maximiert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung eine p-leit ende Potentialschicht auf einem n-leitenden Substrat geformt, und eine n-leitende Fotodiode und ein n-leitender VCCD-Bereich sind wiederholt alternierend auf der Oberfläche der p-leiten den Potentialschicht gebildet, und ein p⁺-leitender Kanal stoppbereich ist an einem Randteil des n-leitenden VCCD- Bereichs gebildet. Dabei ist eine Elektrode zum Anlegen der Haftspannung Vp an jeder p⁺-Schicht des Kanalstoppbereichs vorgesehen. Infolgedessen kann die Haftspannung gesenkt werden, wodurch die Breite des Potentialverlaufs im VCCD-Bereich vergrößert wird.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungs beispielen 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.

Fig. 1 zeigt die folgenden wesentlichen Teile: 1 n-leitendes Substrat
2 p-leitende Potentialschicht
2a/2b schmälere bzw. breitere Bereiche der p-leitenden Potentialschicht
3 Fotodiode
4 VCCD-Bereich
5 Transfergateelektrode
6 p⁺-leitender Kanalstoppbereich
7 Gateelektrode
8 p⁺-leitende Dünnschicht
9 Anschlußstelle für Potential der Kanalstoppbereiche
10 Massevorspannung

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

Die Dotierungsdichte desjenigen Teils des n-leitenden VCCD- Bereichs 4, der den p⁺-leitenden Bereich abschirmt, ist geringer als und n^--leitend gegenüber der Dotierungsdichte in den übrigen Teilen 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). Die zum VCCD- Bereich 4 übertragene Bildsignalladung wird dann 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 im 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 7 angelegten VCCD-Taktsignalspannung veränderlich ist. Unterhalb V4 hat die an die Gateelektrode 7 ange legte negative Spannung nur Einfluss auf die Potential verteilung in der Oxidschicht (nicht gezeigt) zwischen dem VCCD-Bereich 4 und der Gateelektrode 7, nicht jedoch auf die Potentialverteilung im VCCD-Bereich 4.

Da der p⁺-leitende Kanalstoppbereich 6 von Fig. 1 über den Anschluss 9 mit einem Potential beaufschlagbar ist und da die an die Gateelektrode 7 angelegte negative Spannung gleichmäßig angelegt wird, ist die VCCD-Taktsignalspannung veränderlich, indem die Haftspannung verringert wird. Der Potentialverlauf im VCCD-Bereich kann daher auch nach unten verschoben werden. Wenn beim Stand der Technik der Umfang der Veränderlichkeit zwischen V1 und V3 liegt, so ist die Erfindung zwischen V1 und V4 veränderlich mit einem erweiterten Umfang ΔVp an Veränderlichkeit.

Da gemäß der obigen Beschreibung die negative Spannung mit einem vom Benutzer geforderten Wert über den die negative Spannung führenden Anschluß 9 am Kanalstoppbereich 6 angelegt wird, wird die Breite des Potentialverlaufs des VCCD- Bereichs 4 vergrößert, und die Ladungsspeicherfähigkeit sowie der Wirkungsgrad des Ladungstransfers werden maximiert, wobei:

ΔQ = CΔV.

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

Claims

1. CCD-Bildsensor, mit
einem Substrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps,
einer auf diesem angeordneten Schicht (2) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf ein definiertes Potential legbar ist,
mehreren in der Schicht (2) nebeneinander angeordneten Bereichen (3, 4) des ersten Leitfähigkeitstyps, die als Fotodetektorbereiche (3) und als VCCD-Kanalbereiche (4) dienen,
Dünnschichten des zweiten Leitfähigkeitstyps (8), die auf den als Fotodetektorbereiche dienenden Bereichen (3) des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet sind und weitere Bereiche (6) des zweiten Leitfähigkeitstyps berühren, und
Transfergate-Elektroden (5), die den Ladungsübergang von den Fotodetektorbereichen (3) zu den VCCD-Kanalbereichen (4) steuern,
dadurch gekennzeichnet,
dass die nebeneinander angeordneten Bereiche (3, 4) des ersten Leitfähigkeitstyps direkt aneinandergrenzen,
daß die weiteren Bereiche (6) des zweiten Leitfähigkeitstyps an den beiden Rändern und innerhalb der VCCD-Kanalbereiche (4) angeordnet sind, und
daß das Potential der weiteren Bereiche (6) des zweiten Leitfähigkeitstyps steuerbar ist.

2. CCD-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden (9) zum Anlegen des Potentials an den weiteren Bereichen (6) des zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet sind.

3. CCD-Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der VCCD-Bereich (4) so ausgebildet ist, daß die Dotierung in der Umgebung der weiteren Bereiche (6) des zweiten Leitfähigkeitstyps geringer als im übrigen VCCD-Bereich ist.

4. CCD-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) vom zweiten Leitfähigkeitstyp so ausgebildet ist, daß ein flacher Teil an der Unterseite der Fotodetektorbereiche (3) und ein tiefer Teil an der Unterseite der VCCD-Bereiche (4) gebildet ist.