DE2358672A1

DE2358672A1 - Halbleiter-anordnung zur abbildung eines bestimmten gebietes und verfahren zur herstellung einer solchen anordnung

Info

Publication number: DE2358672A1
Application number: DE2358672A
Authority: DE
Inventors: Gene Strull; Marvin H White
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1972-11-29
Filing date: 1973-11-24
Publication date: 1974-05-30
Also published as: JPS4984726A; GB1394520A; JPS546165B2; FR2208193B1; FR2208193A1; US3826926A

Description

DiPL-ING. KLAUS NEÜBECKER 2358672;

Patentanwalt
4 D ü s s e I do Γ-f 1 · , S c h a d ο w ρ l₍a t ζ 9

Düsseldorf, 22. Nov. 1973

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Halbleiter-Anordnung zur Abbildung eines bestimmten Gebietes und Verfahren zur
Herstellung einer solchen Anordnung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine fotoempfindliche Festkörper-Anordnung, insbesondere auf eine ladungsgekoppelte Elemente aufweisende Anordnung zur Abbildung eines bestimmten Gebietes, mit einer Mehrzahl in Zeilen und Spalten auf einer einzelnen Siliziumschei.be angeordneter Zellen bestimmten geometrischen Aufbaues.

Festkörper-Bildfühler mit IC-Abtastgeneratoren bieten potentielle Vorteile gegenüber strahiabgetasteten Fernseh-Kameraröhren hinsichtlich Kosten, Zuverlässigkeit, Kameragröße, Farbverlust, Betriebsspannungen sowie Anwendungsmöglichkeiten. Bisher erforderte eine Festkörper-Abtastung eine bestimmte Form einer X-/Y-Adresse für eine Fühlermatrix. Das Licht von der beobachteten Szene wird auf eine mosaikartige Anordnung fotoempfindlicher Elemente abgebildet, was zu einer bestimmten Verteilung einer Ladungsverarmung über die mosaikartig angeordneten Fühler führt. Es wird dann durch Messung der aufgebauten Ladungsverteilung mit koinzidenten Impulsen von periphereh X-/Y-Abtastgeneratoren ein zeitveränderliches Videosignal erzeugt.

Ein ernsthaftes Problem beim Arbeiten mit mosaikartig aufgebauten Anordnungen mit X-/Y-Adressenstreifen ergibt sich durch das

409822/0909

Telefon (0211) 32 08 58 Telegramme Custopat

Erfassen von Streu-Schal tubers chwingungen aus dem horizontalen Abtastgenerator in das Video-Ausgangssignal. Die Abtastimpulse erfordern normalerweise einige V Amplitude zur Schaltung, während die Videosignal-Amplituden üblicherweise in der Größenordnung von mV oder weniger liegen. Eine kapazitive Einkopplung in das Video-Ausgangssignal wird durch die Notwendigkeit verstärkt, daß die Adressenstreifen einander kreuzen, und die unregelmäßig auftretende Änderung von Anstiegs- und Abfallzeiten erzeugt in dem Videosignal unerwünschte niederfrequente Komponenten.

In jüngster Zeit hat das Prinzip der Ladungsübertragung, wie es bei elektronischen Anordnungen vom "bucket-brigade"-Typ und "Ladungsgekoppelten Elementen" (CCD - charge-coupled device) verwirklicht wird, eine ganz andere Möglichkeit der Festkörper-Abbildung eröffnet. Das "bucket-brigade"-Prinzip wird in einer Veröffentlichung mit dem Titel "Bucket Brigade Electronics", IEEE and Solid State Circuits, SC-4, F. L. J. Sangster und K. Teer, 131 (1969) erläutert. Das Prinzip des ladungsgekoppelten Elements wird andererseits in einer Veröffentlichung mit dem Titel "Charge-Coupled Semiconductor Devices", W. S. BoyIe und G. E. Smith, Bell Systems Technical Journal, 49; 587 (1970) beschrieben. Bei dieser neuen Technologie wird die Ladungsverteilung jeder Zeile schrittweise in die Kante der mosaikartigen Anordnung übertragen, anstatt jedes Fühlerelement mit koinzidenten X-/Y-Impulsen zu adressieren. Sobald die Ladungsvertexlung an der Kante der Anordnung eintrifft, wird sie in einen Verstärker mit niedrigem Rauschpegel gemultiplext oder seriell zur nachfolgenden Ablesung an eine Zwischenspeichermatrix übertragen. Die Video-Abtastung wird in dem Ladungsübertragungselement verringert, weil die Signale ladungsmäßig anstatt spannungsmäßig verarbeitet werden.' Dadurch wird eine große' Kreuzungskapazität, wie sie bisher erforderlich war, eliminiert, und durch die Tiefpaßfilter kann für eine wirksamere Filterung gesorgt werden, da die Anzahl niederfrequenter Komponenten verringert wird.

Selbst mit dem Auftreten solcher Ladungsübertragungselemente verbleiben aber immer noch erhebliche Probleme hinsichtlich der Ver-

409822/0909

wirklichüng von mit niedrigem Lichtwert selbst-abgetästeten Flächenanordnungen. Um beispielsweise eine Festkörper-Kamera hoher Auflösung, die sich für Fernsehzwecke einsetzen läßt, zu verwirklichen, ist eine Flächenanordnung mit 512 x. 512 Elementen für eine Bildgröße von grob gerechnet 2,5 cm χ 2,5 cm, einschließlich peripherer Adressen- und Leseschaltung erforderlich. Das verhindert die Verwendung einer Zwischenspeichermatrix infolge räumlicher Beschränkungen und eines komplexen Schaltungsaufbaues. Die Verwendung der Fühlerelemente selbst als serielles Schieberegister führt zu einer Systemverzögerung und "Nebensprech"-Erscheinungen, ohne Lösung des Problems einer seitlichen Ladungsstreuung oder eines "Blühens¹¹.

Aufgabe vorliegender Erfindung sind daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schaffung einer Fühlerzelle, die sich insbesondere zur Bildung einer Flächenanordnung mit bei niedrigen Lichtwerten selbstabgetasteten fotoempfindlichen Elementen eignet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Halbleiter-Abbildungs-Flächenanordnung mit einer Mehrzahl in Zeilen bzw. Spalten angeordneter Fühlerzellen erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß jede Fühlerzelle ein Substrat aus Halbleitermaterial bestimmten Leitungstyps mit einer Halbleiter-Sperrdiffüsionszone zum mindestens teilweisen Umgeben einer "diskreten Strahlungs-Fühierzone aufweist; ferner eine das Substrat überdeckende erste Lage aus dielektrischem Material; ein an der Strahlungs-Fühierzone hergestelltes strahluhgsempfindliches Halbleiterelement, das für eine Trägerverteilung in Abhängigkeit von darauf auftreffender Einfallsstrahlung sorgt und strahlungsablenkendes Material 'auf der ersten Lage dielektrischen Materials selektiv um den Umfang des Fühlerelements herum angeordnet hat; ein Schieberegister-Bit mit einem elektrodehüberläppenden zweiphasigen. ladungsgekoppelten Element, das neben dem strahlungsempfindlichen Halbleiterelement angeordnet ist und folgende Komponenten umfaßt: a) Auf die erste Lage aus dielektrischem Material gebrachtes erstes Elektrodenmaterial, das als Leiterstreifen für-eine erste Phase 0, ausgebildet ist, der im wesentlichen parallel zu einer Dimension des strahlungsempfindlichen

409822/0909

Halbleiterelements verläuft und ein erstes Elektrodengebiet, das davon zu der einen Dimension des Halbleiterelements vorspringt, sowie ein zweites, aber isoliertes Elektrodengebiet neben dem ersten Elektrodengebiet hat, das zwischen dem Leiterstreifen für die erste Phase und der einen Dimension angeordnet ist; b) eine die erste Lage aus dielektrischem Material und Elektrodenmaterial überdeckende zweite Lage aus dielektrischem Material mit den ersten und zweiten Elektrodengebieten entsprechenden Öffnungen dadurch; und c) auf die zweite Schicht aus dielektrischem Material aufgebrachtes, die Öffnungen durchsetzendes zweites Elektrodenmaterial, das als Leiterstreifen für eine zweite Phase 0L ausgebildet ist, der im wesentlichen parallel zu dem darunter liegenden Leiterstreifen für die erste Phase und versetzt dazu verläuft und ein drittes Elektrodengebiet hat, das zu der einen Dimension hin vorspringt, und dabei zwischen dem darunter liegenden ersten und zweiten Elektrodengebiet verläuft, diese jedoch überlappt, sowie ein viertes, aber isoliertes Elektrodengebiet neben dem dritten Elektrodengebiet hat, das zwischen dem Leiterstreifen für die zweite Phase und der einen Dimension angeordnet ist, dabei zwischen dem darunter liegenden ersten und zweiten. Elektrodengebiet verläuft, jedoch ebenfalls einen anderen Teil davon überlappt; ferner einen Träger-Übertragungs-Leiterstreifen aus zweitem Elektrodenmaterial auf der zweiten elektrischen Lage zwischen dem strahlungsempfindlichen Halbleiterelement und dem Schieberegister-Bit, der im wesentlichen parallel zu den Leiterstreifen für die erste und zweite Phase verläuft und ein fünftes Elektrodengebiet hat, das davon zu dem Schieberegister-Bit zwischen dem dritten und vierten Elektrodengebiet vorspringt und das darunter liegende erste Elektrodengebiet überlappt.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Abbildungs-Flächenanordnung unter Bildung einer Mehrzahl in Zeilen bzw. Spalten angeordneter Strahlungsfühlerzellen ist in Weiterbildung"der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß über der Begrenzungsfläche eines Halbleitersubstrats eines Leitungstyps eine dielektrische Lage vorgesehen wird, die ein Öffnungsmuster in der dielektrischen Lage über einer vorgegebenen Grenzfläche bildet, die jede entsprechende

409822/0909

Fühlerzone einer Fühlerzelie teilweise umgibt, daß in das Substrat durch das Öffnungsmuster eine Sperrdiffusionszone desselben HaIbleitertyps mit höherer Konzentration eindiffundiert wird, sodann die dielektrische Lage von der Oberfläche des Substrats abgestreift, eine neue dielektrische Lage über der Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet, erstes Elektrodenmaterial über die zweite gebildete dielektrische Lage gebracht und das Elektrodenmaterial selektiv geätzt wird, um die einzelnen Fühlerzonen und einen Leiterstreifen für eine erste Phase für ein entsprechendes Schieberegister-Bit neben jeder Fühlerzone festzulegen, wobei der Leiterstreifen im wesentlichen parallel zu und neben einer Dimension der Fühlerzone verläuft und erste Elektrodengebiete, die davon zu der einen Dimension jeder Fühlerzone vorspringen, und zweite, jedoch isolierte Elektrodengebiete neben der einen Dimension jeder Fühlerzone zwischen dem Leiterstreifen für die erste Phase hat, daß sodann eine, weitere dielektrische Lage über das geätzte Elektrodenmaterial und die zweite gebildete Lage aus Isoliermaterial gebracht, Kontaktfenster zu den einzelnen ersten und zweiten Elektrodengebieten geöffnet und zweites Elektrodenmaterial über die Oberfläche der letztgenannten dielektrischen Lage und durch die Kontaktfenster gebracht, selektiv ein Muster geätzt wird, das einen Leiterstreifen für eine zweite PHase für ein entsprechendes Schieberegister-Bit neben den einzelnen Fühlerzonen begrenzt, wobei dieser Leiterstreifen im wesentlichen parallel zu der einen Dimension verläuft und dritte Elektrodengebiete, die zu der einen Dimension jeder Fühlerzone zwischen den ersten und zweiten darunter liegenden Elektrodengebieten vorspringen, diese -jedoch überlappen, und vierte, jedoch isolierte Elektrodengebiete zwischen dem Leiterstreifen für die zweite Phase und den dritten Elektrodengebieten hat, die die darunter liegenden ersten und zweiten Elektrodengebiete überlappen, und wobei ferner ein Träger-Übertragungs-Leiters treif en begrenzt wird, der zwischen dem Fühlergebiet und den dritten und vierten Elektrodengebieten angeordnet ist und vierte Elektrodengebiete hat, die davon zu den entsprechenden ersten Elektrodengebieten vorspringen und diese überlappen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels

40982 2/0909

in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild, das eine Abbildungs-Flächenanordnung nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 2 einen Teilschnitt, der schematisch den ersten Schritt bei der Herstellung einer Flächenanordnung entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 3A eine Teildraufsicht bzw. Teilschnitte längs der und 3B/C Linie 3_B-3B der Fig. 3A zur Veranschaulichung des

zweiten Schritts bei der Herstellung der Anordnung nach Fig. 1;

Fig. 4A_f Teilschnitte durch die eine Teildraufsicht wiedergebende Fig. 4B längs den in dieser eingetragenen Schnittlinie, wobei alle vier Fig. den dritten Schritt bei der Herstellung des Aufbaues nach Fig. veranschaulichen;

Fig. 5A eine Teildraufsicht und

Fig. 5B einen Teilschnitt durch Fig. 5A längs der Linie 5B-5B, die jeweils den vierten Schritt bei der Fertigung des bevorzugten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung veranschaulichen;

Fig. 6A eine Teildraufsicht und

Fig. 6B einen Teilschnitt durch Fig. 6A längs der Linie 6B-6B zur Veranschaulichjdung des fünften Schritts bei der Herstellung des Aufbaues nach der Erfindung; und

409822/090 9.

Fig. 7 eine Draufsicht auf den zusammengesetzten Aufbau, in teilweise weggebrochener Darstellung, so daß der Aufbau der Elemente in verschiedenen Ebenen der Anordnung der Fig; I erkenntlich ist.

Zur allgemeinen Information sei darauf hingewiesen, daß ladungsgekoppelte Elemente (CCD) Minoritätsträger oder deren Abwesenheit in Potentiälsenken erzeugen und speichern, die räumlich festgelegte Zonen bilden, in denen die Verarmung momentan an der Grenzfläche zwischen; einem homogenen Halbleiter und einem Oxidisolator vertieft wird. Nachdem sie einmal gespeichert worden ist, kann die mit der Potentialsenke oder -quelle gekoppelte Ladung über die Oberfläche des-Halbleiters^:einfach dadurch weiterbewegt werden, daß die Potential'quelle mittels eines in geeigneter Weise zugeführten Steuersignals ,verschoben wird. Das Verfahren der Ansammlung einer Ladung auf einem Halbleiter mittels einer optischen Eingabe in eine zweidimensionale Anordnung, der übergabe der Ladung von jedem Abbildungsgebiet und der Abgabe eines Ausgangssi"-gnals, das aus einer Reihe Impulsen- aufgebaut ist, deren Einhüllende das-Video-Änalogon'des Bildes sind, stellt die Basis der vorliegenden Erfindung dar.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Abbildungs-Flächenanordnung mit einer Mehrzahl Hälbleiter-Fühlerzellen 10, die in Spalten M und Zeilen N angeordnet sind. Jede Fühlerzelle enthält u, a. ein Lichtfühlereiement 12, das vorzugsweise ein Iadungsgekoppeites Element mit allgemein vierseitigem Aufbau ist, das eine transparente polycristalline Silizium-Gate-Elektrode hat, wobei eine Halbleiter-Sperrdiffusionszone 14 drei Seiten des Fühlerelements umgibt. Sofern das wünschenswert ist, kann ein pnübergang oder eine Fotodiode das CCD-Fühlerelement ersetzen» Die verbleibende Seite des Lichtfühlerelements 12 ist von einem übergabegat'ter-Leiterstreifen 16 durchsetzt, der alle Fühler zellen 10 einer Zeile überspannt-. Dies ist in Fig. 1 mittels eines horizontal verlaufenden Löiterstreif ens verwirklicht, der mit einem vertikalen Leiterstreifen 18 integral ist, der mit einem Generator zur Erzeugung eines Leitungs-Übergabe-Gatterimpulses 0„ in Verbin-

409 8 22/0 909" -

dung steht. Neben dem Übergabegatter-Leiterstreifen 16 jeder Fühlerzelle 10 befindet sich eine Stufe oder ein Bit (nicht dargestellt) eines zweiphasigen CCD-Reihen-Schieberegisters mit abgestufter überlappender Oxidelektrode, das durch Steuerimpulse in. Gegenphase (wechselseitig jeweils um 180° phasenverschoben) gesteuert wird, die jeweils einem Leiterstreifen 24 für eine erste Phase 0₁ und einem Leiterstreifen 26 für eine zweite Phase 0₂ zugeführt werden, die parallel zueinander und zu dem Übergabegatter-Leiterstreifen 16 verlaufen. Die Phasen-Leiterstreifen 24 und 26 verlaufen zwar parallel, jedoch im Verhältnis zueinander versetzt und sind in verschiedenen Ebenen des Halbleiteraufbaues angeordnet, wie das weiter unten im einzelnen gezeigt wird.

Der Leiterstreifen 24 für die erste Phase ist mit einem vertikalen

30 Leiterstreifen 28 integral, der mit einem Generator/zur Erzeugung eines 02^-Impulses in Verbindung steht, während der Leiterstreifen 26 für die zweite Phase mit einem entsprechenden vertikalen Leiterstreifen 32 integral ist, der mit einem Generator 34 für die Erzeugung eines 0₂-Impulses verbunden ist. Der Übergabegatter-Leiterstreifen 16 steuert die parallele übertragung von Minoritätsträger-Paketen von allen Fühlerelementen einer bestimmten Zeile zu ihrem entsprechenden Schieberegister-Bit, während die Leiterstreifen 24 und 26 für die erste bzw. zweite Phase 0., , 0 jedes einzelne Ladungspaket in dem Schieberegister 22 zu einem zweiten Übergabegatter-Leitungsstreifen 36 schrittweise weiterbewegen, der längs der rechten Kante der Anordnung verläuft. Der Leiterstreifen 36 ist mit einem zweiten Generator 38 für die Erzeugung von Übergabe-Gate-Impulsen 0_X gekoppelt. Ein weiteres CCD-Schieberegister 40 mit zwei Phasen überlappender Elektrode ist neben dem Leiterstreifen 36 angeordnet, und dieses Schieberegister 40 wird über Leiterstreifen 40* und 42 für eine dritte und eine vierte Phase 0₃ bzw. 0. gesteuert, die mit Impuls-Generatoren 44 bzw. 46 gekoppelt sind. Ferner ist ein weiterer Leiterstreifen 48 mit der Anordnung verbunden, wie das weiter unten in Verbindung mit der Erläuterung der Fig. 4A - 4D dargelegt wird, und dieser Leiterstreifen 48 wird mit einer Vorspannung V_Q beaufschlagt, die zur Steuerung des Maximalbetrags der an jedem Hchtfühlerelement 12 angesammelten Ladung

'409822/090.9'

dient, so daß eine anschließende Signalverarbeitung nicht zu einer Ladungsausbreitung längs der M-Elemente in einer bestimmten Zeile führt. Ein leicht positives Potential beaufschlagt ebenfalls den Übergabegatter-Leiterstreifen 18 während der NichtÜbergabezeit, wie das mit dem Kurvenzug 50 veranschaulicht ist, so daß eine Sperr-Halbleiterzone darunter gebildet wird, die auch eine Ladungsverbreitung oder ein "Blühen" von dieser Zone des Lichtfühlerelements 12 aus verhindert.

Geht man davon aus, daß die Anordnung auf einer Silizium-Halbleiterscheibe oder einem entsprechenden Substrat vom n-Typ hergestellt wird, so veranlaßt der ins Negative gehende Teil des von dem 0y-Impuls-Generator 20 erzeugten Kurvenzugs 50, daß die gesamte in den einzelnen Lichtfühlerelementen 12 infolge der darauf auftreffenden Lichtstrahlung angesammelte. Ladung zu dem entsprechenden Bit in dem Reihen-Schieberegister 22 weitergegeben wird. Beispielsweise übergibt das jk-te Element (j-te Zeile, k-te Spalte) an die Stelle des k-ten Bits des j-rten Reihen-Schieberegisters. Nachdem der Übergabeimpuls entsprechend dem Kurvenzug 50 unwirksam geworden ist, wird der Bild-Fühler automatisch auf die Referenzspannung V "rückgesetzt. Die Information in dem Reihen-Schieberegister 22 wird an die rechte Kante der Anordnung mit den 0.- und 0₂-Taktimpulsen 52 und 54 übergeben, wobei der.0.-Taktimpuls 52 zunächst ein ins Negative gehender Impuls in Synchronismus mit einem ins Negative gehenden übergabeimpuls entsprechend dem Kurvenzug 50 ist, während der 0₂-Impuls 54 ein ins Positive gehender Impuls ist. Die Frequenz der 0,- und 0.^ Impulse 52 bzw. 54 läßt sich durch die Beziehung ausdrücken:

^fhoriz. "¹^f ' ■ "">

wobei T- die Einzelbildzeit und M die Anzahl der Spalten in der Anordnung sind.

409822/09 0-9

- ίο -

Wenn die einzelnen Ladungs-Pakete der Zeile das letzte Bit des
Schieberegisters 22 erreichen, werden sie parallel mit den
anderen Zeilen mittels eines Impulses 56 an das Schieberegister übergeben, wo sie mittels der Taktimpulse 58 und 60 für die
Phasen 0₃ bzw. 0., die von den Impuls-Generatoren 44 bzw. 46 erzeugt werden, getaktet werden, wobei sie eine Frequenz N mal
der Frequenz der Taktimpulse 52 bzw. 54 haben, d. h.

^fvert. ^{= Nf}h = ^NM/Tf' ⁽²⁾

wobei N die Anzahl der Zeilen in der Anordnung ist. Das Schieberegister 40 ist so in der Lage, aufeinanderfolgend alle Ladungspafete der N-Zeilen an ein Ausgangselement 62 jedesmal zu übertragen, wenn die Ladungspakete in den M-Spalten um ein Bit nach
rechts a« verschoben werden.

Das letzte Bit des Schieberegisters 40 übergibt sein Ladungspaket an eine übertragungsleitung 43, die mittels eines Generators 6 4 zur Erzeugung von Kultipleximpulsen 0_M gepulst wird, so daß
die Ladungs-Pakete an eine in Sperrichtung vorgespannte Auffangdiode 66 in einem Lesekreis 68 weitergegeben werden. Die Einzelheiten, eines solchen Lesekreises finden sich in der früheren,
auf die gleiche Anmelderin zurückgehenden Patentanmeldung
P 23 52 184.8. Es sei jedoch kurz erläutert, daß der Lesekreis 6 wie folgt arbeitet:

(1) Die Gate-Elektrode des p-Kanal-MOSFET-Schaltelements 70
wird in bezug zu der Spannung V gesetzt, die die Quelle des n-Kanal-MOSFET-Schaltelements 72 bei Zufuhr eines Steuersignals 0 zu deren Gate-Elektrode beaufschlagt.

Xv

(2) Danach wird der Referenz- oder"Dunkel"-Wert-Zustand mittels
eines externen Verstärkerkreises "gelesen", der mit der Quäle des MOSFET-Schaltelements 70 in Verbindung steht.

(3) Als nächstes wird die Information von dem individuellen CCD-Lichtfühlerelement 12 in die Auffangdiode 66 über ein Schalterelement 74 gemultiplext, das durch das von dem Impuls-Generator 64 zugeführte Signal 0_M gesteuert wird.

Λ09822/0909

(4) Das End-Zeitintervall wird verwendet, um den in.die Auffang- -- diode 66 eingegebenen Signalwert zu "lesen", wobei dieser Signalwert aus der Signalladung plus dem Referenzwert besteht und die Wirkung des "Lesens" des Signals darin besteht, die Ablesungen nach "den Schritten' (2) und (4) zu subtrahieren, .so daß nur das Signal verbleibt. Darüber hinaus=reichende Informationen hinsichtlich der Arbeitsweise des Lesekreises 68 ergeben sich aus der vorgenannten Patentanmeldung . . P 23 52 184.8.

Den geometrischen Aufbau der Fühlerzellen 10 zeigt Fig. 7, die eine teilweise.weggebrochene Draufsicht auf verschiedene Materiallagen wiedergibt, aus denen die Anordnung aufgebaut ist. Außerdem ergibt der geometrische Aufbau der Fühlerzellen 10 sich aus Fig. 2-6, die den Herstellungsablauf veranschaulichen. Wie oben erwähnt, umfaßt jede Fühlerzelle 10 ein strahlungsempfindliches Halbleiter-Lichtfühlerelement 12, das teilweise von einer Sperrdiffusions zone 14 umgeben ist, einen Übergabegatter-Leiterstreifen 16 aus dem Elektrodenmaterial, der neben dem Fühlerelement angeordnet ist, sowie ein Bit eines zweiphasigen, eine abgestufte Oxidelektrode überlappenden Schieberegisters 22.

Die Geometrie der Fühlerzelle·selbst ermöglicht es, den Abstand zwischen den Lichtfühlerelementen an die gegenwärtigen Anforderungen hinsichtlich einer hohen Dichte anzupassen, was sich am besten in Verbindung mit den einzelnen Schritten des Herstellungs-Verfahrens erläutern läßt. ■

Es sei nun Fig. 2 betrachtet, vronach der erste Schritt bei der Herstellung der Abbildungs-Anordnung darin besteht, mittels geeigneter Züchtungsverfahren eine Isolierlage oder eine dielektrische Lage 76 aus Siliziumdioxid (SiO_) über die Oberfläche 77 eines n-Substrats 78 aus Halbleitermaterial jifie Silizium zu bringen. Danach wird, wie mit Fig. 3A und 3B. veranschaulicht, ein Öffnungsmuster oder -schema 80 in der dielektrischen Lage 76 vor-

409 8 22/0 909 ■

gesehen, um eine Sperrdiffusionszone 14 zu bilden, worauf eine Diffusion von η(+)-Halbleitermaterial mittels allgemein bekannter Verfahren in die Oberfläche 77 des Silizium-Substrats entsprechend Fig. 3B erfolgt. Das Sperrdiffusionsmuster ist so ausgebildet, daß die gesamte Anordnung nach Fig. 1 vollständig eingegrenzt wird und jedes Lichtfühlerelement 12 an drei Seiten umgeben wird. Nach dem Sperrdif fusions Vorgang wird der Rest der dielektrischen Lage 76 aus SiO_ entfernt, wie mit Fig. 3C gezeigt, so daß ein Diffusionsmuster entsprechend Fig. 3A verbleibt,

Als nächstes wird eine v/eitere Lage 82 aus SiO„ über der Oberfläche 77 des Substrats 78 gebildet, deren Dicke in der Größenordnung von 1kA liegt, wie das mit Fig. 4A veranschaulicht ist. Nach der Bildung der dielektrischen Lage 82 wird ein Dünnfilm in der Größenordnung von 1 - 2 kA Dicke aus transparentem polycristalline™ Silizium über der Oberfläche 87 der SiO₂~Lage 82 vorgesehen, worauf eine Aluminiumlage 86 als Elektrodenmaterial aufgebracht wird. Das Aluminium-Elektrodenmaterial wird von dem im wesentlichen rechteckigen Gebiet 88, wie es mit Fig. 4B gezeigt ist, entfernt, so daß nur der Siliziumfilm verbleibt, um eine Öffnung für ein lichtempfindliches CCD-Lichtfühlerelement zu begrenzen, das· an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 78 und der dielektrischen Lage 82 gebildet ist. Der Vorspannungs-Leiterstreifen 48 für das Potential V ist mit der Aluminiumlage 86 verbunden. Zusätzlich werden sowohl der Siliziumfilm als auch die Aluminiumlage 86 weggeätzt, um den Leiterstreifen 24 für die Phase φ. zu bilden, der ebenfalls ein verhältnismäßig großes, im wesentlichen rechteckiges Elektrodengebiet 92 hat, das davon zu dem Lichtfühlerelernent 12 hin nach innen vorspringt. Ein kleineres langgestrecktes isoliertes Elektrodengebiet 9 4 mit einer der Breite des Leiterstreifens 2 4 im wesentlichen gleichen Breite wird neben dem Elektrodengebiet 9 2 herausgeätzt, und dieses Elektrodengebiet 94 verläuft parallel zu dem Leiterstreifen24, wie mit Fig. 4B gezeigt. Fig. 4D, die einen Querschnitt durch Fig. 4B längs der Linie. 4D - 4D darstellt, veranschaulicht dieses

409822/0909

Ätzmuster weiterhin und zeigt ferner, daß in dem Bereich keine Sperrdiffusion vorliegt.

Nach der Festlegung des Öffnungs-Gebiets 88, des"quer über die Fühlerzellen .10 unter dem Lichtfühlerelement 12 verlaufenden Leiterstreifens 24 für diejPhase 0.. und gemeinsam damit der Elektrodengebiete 9.2 bzw. .94 wird eine weitere SiO -Läge 96

ο ^ mit einer Stärke in der Größenordnung von 3kA als nächstes über der SiO -Lage 82 und dem ersten Elektrod'en-Metallisierungsmuster der Fig. 4B gebildet.. Durch die. dielektrische Lage 96 hindurch werden über dem vorspringenden Elektrodengebiet 9 2 und dem isolierten Elektrodengebiet 94 Fenster 100 bzw. 102 gebildet, wie das mit Fig. 5A bzw. 5B gezeigt ist.

Als nächstes erfolgt ein weiterer Metallisierungsschritt, bei dem eine Lage 99 aus Elekbrodenmaterial (Aluminium) über die Außenfläche 98 der dMektrischen SiO_-Lage 96 und durch die Fenster 100 und 102 in.Afowärtsrichtung zu den Elektrodengebieten 92 und 94 gebracht wird, wie das mit Fig. 6B gezeigt ist. Auf der Oberfläche der ,dielektrischen Außenfläche 9 8 wird, wie mit Fig. 6A gezeigt, ein Leiterschema geätzt. Das Metallisierungs-Schema enthält" den Leiterstreifen 26 für die zweite Phase 0~ , wobei der Leiterstreifen 26 ein verhältnismäßig großes, im wesentlichen rechteckiges vorspringendes Elektrodengebiet 104 hat, das über dem darunter befindlichen isolierten Elektrodengebiet 86 angeordnet ist und das darunter befindliche vorspringende Elektrodengebiet 92, wie es mit Fig. 4B- 4D veranschaulicht ist, leicht überlappt. Ein zweites, im wesentlichen L-förmiges isoliertes Elektrodengebiet 106 wird ebenfalls parallel zu dem Leiterstreifen 26 neben dem vorspringenden Elektrodengebiet geätzt, so daß es teilweise über dem darunter befindlichen vorspringenden Elektrodengebiet 9 2 angeordnet ist und das darunter befindliche isolierte Elektrodengebiet 9 4 leicht überlappt. Dadurch wird eine eine Elektrode überlappende oder gestufte Oxid-CCD-Schieberegisterstufe gebildet, deren parallelen Leiter-_

4098 2 2/0 909

streifen 24 und 26, die auf unterschiedlichen Metallisierungsniveaus liegen und im Verhältnis zueinander versetzt sind, die Taktimpulse 52 bzw. 54 für die erste Phase 0.. bzw. die zweite Phase 0„ zugeführt werden.

Ebenso wird bei dem zweiten Metallisierungs-Ätzvorgang der Übergabegatter-Leiterstreifen 16 der Fig. 1 hergestellt, der quer zu den Lichtfühlerelementen 12 und parallel zu den Leiterstreifen. 24 und 26 verläuft und zwischen dem fotoempfindlichen Fühlereiement und dem CCD-Schieberegisterbit angeordnet ist. Der Übergabegatter-Leiterstreifen 16 enthält ferner einen Elektrodenvorsprung 108, der nach außen und zu dem Schieberegister-Bit zwischen dem vorspringenden Elektrodengebiet 104 und dem L-förmigen isolierten Elektrodengebiet 106 hin angeordnet ist und sich soweit erstreckt, daß er das unter ihm in der ersten Metallisierungsebene entsprechend Fig. 6A liegende vorspringende Elektrodengebiet 9 2 leicht überlappt.

Fig. 7 zeigt eine teilweise weggeschnittenen Ansicht eines zusammengesetzten Aufbaus, der aus den beiden dielektrischen SiO-Lager* 82 und 96 aufgebaut ist, die auf dem η-leitenden Silizium-Substrat 98 verlaufen, wobei eine erste Metallisierung zwischen den aneinander angrenzenden Flächen der dielektrischen Lage 82 und 96 und eine zweite Metallisierung auf der Oberfläche 9 8 der dielektrischen Lage 96 vorgesehen ist. Die miteinander im Eingriff stehenden vorspringenden Elektrodengebiete 92 und 94, die sich in unterschiedlichen Ebenen befinden, begrenzen zusammen mit den isolierten Elektrodengebieten 9 4 und 106 und den Metallisierungsdurchführungen durch die Fenster 100 und 102 das Schieberegister mit den zwei Phasen-Leiterstreifen 2 4 und 26, die parallel daneben verlaufen. Der Übergabegatter-Leiterstreifen 16 kann, gemeinsam mit seinem vorspringenden Teil, die entsprechenden Ladungspakete von dem Li chtfüh lere leinen t 12 koppeln.

409822/0909

Sofern das erwünscht ist,, können ein Abtasten im Zeilensprung, um eine flackerfreie Wiedergabe zu erhalten, und eine Verringerung der Abweichungen bei der Bildgestaltung dadurch erzielt werden, daß der (die) Übergabegatter-Leiterstreifen 16 mit den Fig. T- und Fig. 2-Taktsignalen,-mittels geeigneter logischer Tore (nicht dargestellt) in der folgenden Weisee einer UND-Verknüpfung unterworfen werden: Bei Zeilensprung-Abtastung sind normalerweise zwei Felder je Teilbild vorgesehen, das ungerade Feld und das gerade Feld. Während des Auftretens des un-_r geraden Feldes würden die ungradzahligen Elemente jeder Zeile in einer Belichtungszeit mit dem Taktsignal $.. UND-verknüpft werden, während die geradzahligen Elemente während der nächsten Belichtungszeit mit dem Taktsignal 0» üND-verknüpft würden. Die beiden Feld-Beiichtungszeiten würden dann eine Teilbildzeit bilden, und es wäre stets eine "Blockierungsguelle" zwischen Fühlerelementen in jeder Feldbelichtungszeit vorhanden.

Die Einfachheit des Zellenaufbaus verwertet die speziellen Eigenschaften polykristallinen Siliziums, um eine durchlässige leitende Gate-Elektrode' für ein fotoempfindliches CCD-Erfassungselement zu schaffen, so daß der Abstand von Fühler zu Fühler mit den Anforderungen an eine hohe Dichte kompatibel sein kann. Betragen beispielsweise die Breiten der Leiterstreifen und die Abstände 5 ,um, so liegen die Abstände der Zentren benachbarter Fühlerelemente in der Größenordnung von 50 ,um für ein Fühlergebiet in der Größenordnung von 20 ,um auf einer Seite, so daß CCD-Flächen-Srfassungsanordnungen ausgelegt und.hergestellt werden können, die Fernseh-Auflösung und-Abtastzeiten haben.

Patentansprüche;

409 82 2/OSO 9

Claims

Patentansprüche:

Halbleiter-Abbildungs-Flächenanordnung'mit einer 'Mehrzahl in Zeilen bzw. Spalten angeordneter Fühlerzellen-, dadurch gekennzeichnet, daß jede Fühlerzelle (1ο) ein Substrat (78) aus Halbleitermaterial bestimmten Leitungstyps mit einer Halbleiter-Sperrdiffusionszone (14) zum mindestens teilweisen Umgeben einer diskreten Strahlungs-Fühlerzone aufweist; ferner eine das Substrat (78) überdeckende erste Lage (76) aus dielektrischem Material; ein im Bereich der Strahlungs-Eühlerzone hergestelltes strahlungsempfindliches Halbleiter-Lichtfühlerelement (12), das für eine Trägerverteilung in Abhängigkeit von darauf auftreffender Einfallstrahlung sorgt und Strahlungsabdeckendes Material auf der ersten Lage dielektrischen Materials selektiv um den Umfang des Lichtfühlerelements (12) herum angeordnet hat; ein ein ladungsgekoppeltes Element (CCD) enthaltendes zweiphasiges, elektrodenüberlappendes Schieberegisterbit (22), das neben dem strahlungsempfindlichen Halbleiter-Lichtfühlerelement (12) angeordnet ist und folgende Komponenten umfaßt: a) Eine auf die erste Lage aus dielektrischem Material (76) gebrachte Aluminiumlage (P>6) , die als Leiterstreifen (24) für eine erste Phase φ., ausgebildet ist, der im wesentlichen parallel zu einer Dimension des strahlungsempfindlichen Halbleiter-Lichtfühlerelements (12) verläuft und ein erstes Elektrodengeb=iet (92), das davon zu der einen Dimension des Halbleiter-Lichtfühlerelements (12) vorspringt, sowie ein zweites, aber isoliertes Elektrodengebiet (94) neben dem ersten Elektrodengebiet (92) hat, das zwischen dem Leiterstreifen (24) für die erste Phase und der einen Dimension angeordnet ist; b) eine die erste . Lage aus dielektrischem Material und die Aluminiumlage überdeckende zweite Lage aus dielektrischem Material (96) mit den ersten und den zweiten Elektrodengebieten (92, 94) entsprechenden Fenstern (100, 102) dadurch; und c) auf die Zweitlage

AO982 2 /090 9

(96) aus dielektrischem Material aufgebrachtes, die Fenster (100, 102). durchsetzendes zweites Elektrodenmaterial, das als Leiterstreifen (26) für eine zweite Phase 0₉ ausgebildet ist, der.im wesentlichen parallel zu dem darunterliegenden/ Leiterstreifen (24) für die erste Phase und versetzt dazu verläuft und ein drittes Elektrodengebiet (104) hat, das zu der einen Dimension hin vorspringt und dabei zwischen dem darunterliegenden ersten und zweiten Elektrodengebiet (92, 9 4) verläuft, diese Elektrodengebiete jedoch überlappt, sowie ein viertes, aber isoliertes Elektrodengebiet(106) neben dem dritten Elektrodengebiet (104) hat, das zwischen dem Leiterstreifen (26) für die zweite Phase und der einen Dimension angeordnet ist, dabei zwischen dem darunterliegenden ersten und zweiten Slektrodengebiet (9 2, 94) verläuft, jedoch ebenfalls, einen anderen Teil davon überlappt; ferner einen Träger-Übergabegatter-Leiterstreifen (1'6) aus zweitem Elektrodenmaterial auf der zweiten dielektrischen Lage (96) zwischen dem strahlungsemp'findlichen Halbleiter-Lichtfühlerelement "(12) und dem Schieberegisterbit (22) , der im wesentlichen parallel zu den Leiterstreifen (24, 26) für die erste bzw. zweite Phase verläuft und ein fünftes Elektrodengebiet (108) hat, der davon zu dem.Schieberegisterbit (22) zwischen dem dritten und vierten Slektrodengebiet (104, 106) vorspringt und das darunterliegende erste Elektrodengebiet (9 2) überlappt.
2. Halbleiter-Abbildungs-Flächenanordnung nach Anspruch 1, . dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Sperrdiffusionszone eine Diffusion größerer Konzentration vom gleichen Leitungstyp wie das Substrat (78) aufweist und daß die Sperrdiffusionszone (14) im wesentlichen dreiviertel der Fühl-erzone umgibt.

AO9822/0 909
3. Halbleiter-Abbildungs-Flächenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlerzone, der Fühlerzelle eine vierseitige Zone auf v/eist, wobei die Sperrdiffus ions zone im wesentlichen drei Seiten davon umgibt und der Übergabegatter-Leiterstreifen (16) die vierte Seite überspannt.
4. Halbleiter-Abbildungs-Flächenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsempfindliche Halbleiter-Lichtfühlerelement (1.2) der Fühlerzelle (1O) ein ladungsgekoppeltes Element auf v/eist, das aus dem Substrat (78) der ersten Lage (76) aus dielektrischem Material sowie ferner einer durchsichtigen Lage aus monokristallinem Silizium aufgebaut ist, die die Lage aus Isoliermaterial überdeckt.
5. Halbleiter-Abbildungs-Flächenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet _f daß in den Fühlerzellen (10) das erste Elektrodenmaterial einen Film aus Silizium und eine Abdeckung aus Aluminium und das zweite Elektrodenmaterial eine Lage aus Aluminium aufweist.
6. Halbleiter-Abbildungs-Flächenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Kopplung von gegenphasigen Taktsignalen mit dem Leiterstreifen für die erste bzw. zweite Phase, weiter eine mit dem Übergabegatter-Leiterstreifen gekoppelte Einrichtung zur Beaufschlagung des Übergabegatter-Leiterstreifens mit einem Vorspannungspotential, das darunter eine Diffusionszone vom gleichen Leitungstyp wie die Sperrdiffusionszone (14) erzeugt und periodisch in Synchronismus mit den gegenphasigen Taktsignalen getaktet wird, um Übergabe-Träger von dem Fühlerelement zu dem Schieberegisterbit zu übertragen.

40 9822/0909

235eel2

- 13 -
7. Hälbleiter-^bildungs~FläehenänOrd.iiurig nach einem oder meTireren-der 'Ansprüche 1: "-·■ 6 _r-dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (78) aus: Silizium und die erste und zweite Lage Iso~

• -Ltermaterial aus Siliziumflioxid bestehen.
8. Halblei%er-^±)bildungs-Elächenahor.dnüng nach einem .oder mehreren der Ansprüche 1. - 7, dadurch gekennzeichnet·, daß das Substrat (78): aus: -n-leitendem Silizium, und .die· Sperrdiffusionsz^öne aus n(+).-Balbleitermaterial bestehen.
9". Halbieiter-Abbildrungs-Fläehenanoränung-nach. einem, oder mehreren "der Ansprüche 1 - B, dadurch -gekennzeichnet, daß .das erste-und das dritte Elektrodehgebiet (92,. 104) im we sen t·^ liehen rechteckförmig und großer.als das zweite und vierte Elektrodengebiet (9 4, 106)- sind, daß das zweite Elektrodengebiet, eine im wesentlichen langgestreckte rechteckige Gestalt und 'das vierte Slektrodengebiet· eine im wesentlichen -' L-förmige Gestalt hat.· ■ ,-·■'. -_t -. '. . -■-'__
10. Haltleiter-Abbildungs-Plächenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste'Leiterstreifen und der zweite Leiterstreifen (24, 26) im:Verhältnis zueinander versetzt nebeneinander .verlaufen.
11. Verfahren zur ^Herstellung einer Halb leiter 7Ab.bildung.s-

' Fläelrenanordnung ■ nach einem- oder, mehreren der_ Ansprüche

1--- 10 j_,Unter Bildung einer .^Meh-rzahl in Zeilen bzw. Spalten ■ . angeordneter^ Strahlungs-Fühlerzellen_f dadurch gekennzeichnet,

daß' über ■ der Begrenzungs fläche eines, TJalbleitersubstrats - eines -Leitungst-ps eine- .dielektrische iage vorgesehen wird, -■i^z. daß in. der die lek tr i sehen-Lage über einem vorgegebenen Begrenzungsflächenbereich e^n Qffjiungsschema, (SO) gebildet wird, das die einzelnen Fühlerzonen einer Fühlerzelle teilweise umgibt, und daß in das Substrat durch das Öffnungs-

AO9822/0 909

schema (BO) eine Sperrdiffusionszone gleichen Typs, jedoch höherer Konzentration eindiffundiert und sodann die dielektrische Lage von der Begrenzungsflach© des ,Substrats abgestreift wird; daß sodann eine neue dielektrische Lage über der Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet, erstes Elektrodenmaterial über die zweite gebildete dielektrische Lage gebracht und das Elektrodenmaterial selektiv geätzt wird, um die einzelnen Fühlerzonen und einen Leiterstreifen für eine erste Phase für ein entsprechendes Schieberegister-Bit neben jeder Fühlerzone zu begrenzen, wobei der Leiterstreifen im wesentlichen parallel zu und neben einer Dimension der Fühlerzone verläuft und erste Elektrodengebiete _t die davon zu der einen Dimension jeder Fühlerzone vorspringen, sowie zweite, jedoch isolierte Elektrodengebiete neben der einen Dimension jeder Fühlerzone zwischen dem Leiterstreifen für die erste. Phase hat; daß sodann eine weitere dielektrische Lage über .das geätzte Elektrodenmaterial und die zweite gebildete Lage aus Isoliermaterial gebracht, Kontaktfenster zu den einzelnen ersten und zweiten Elektrodengebieten geöffnet und zweites Elektrodenmaterial über die Oberfläche der letztgenannten dielektrischen Lage und durch dieKontaktfenster: gebracht,, ferner- selektiv ein Muster geätzt wird, das einen Leiterstreifen für eine zweite Phase für ein entsprechendes Schieberegister-Bit neben den einzelnen Fühlerzonen begrenzt, wobei dieser Leiterstreifen im wesentlichen parallel zu der einen Dimension verläuft und dritte Elektrodengebiete, die zu der einen Dimension jeder Fühlerzone vorspringen und zwischen den ersten und zweiten darunter liegenden Elektrodengebieten verlaufen, diese jedoch überlappen, und vierte, jedoch isolierte Elektrodengebiete zwischen dem Leiterstreifen für die zweite Phase und den dritten Elektrodengebieten hat, die die darunter liegenden ersten und zweiten Elektrodengebiete überlappen,und wobei ferner ein Träger-Übergabegatter-Leiterstreifen begrenzt wird, der zwischen der Fühlerzone

4098 22/0809.

und den dritten und vierten Elektrodengebieten angeordnet ist und fünfte Elektrodengebiete hat/ die davon zu den. entsprechenden ersten Elektrodengebieten vorspringen und diese überlappen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Halbleiter-Substrat

aus Silizium besteht und die dielektrischen Lagen aus Siliziumdioxid bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aufbringung des ersten Elektrodenraaterials ein Film aus Silizium auf eine Lage aus Siliziumdioxid _t anschließend eine Lage aus Aluminium auf den Siliziumfilm gebracht wird und daß beim Aufbringen des zweiten Elektrodenmaterials Aluminium auf die äußere Lage aus Siliziumdioxid aufgebracht wird,
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder . 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweitgenannte dielektrische Lage aus Siliziumdioxid

" 3" ο mit einer Dicke in der Größenordnung voll 1-x 10 A und die drittgenännte dielektrische Lage aus Siliziumdioxid in der

■ ' ■ ' 3" ο ■
Größenordnung von 3 χ 10 A Dicke gebildet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumfilm mit einer Dicke in der Größenordnung Von 1 χ 10³ Ä bis 2 χ 10³ % gebildet wird. ■ .

KN/has/jn 3

409822/0S09

Leerseite