DE2741226B2

DE2741226B2 - Festkörper-Farbbildaufnahmeeinrichtung

Info

Publication number: DE2741226B2
Application number: DE2741226A
Authority: DE
Inventors: Norio Tokio Koike; Masaharu Hachioji Tokio Kubo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-09-13
Filing date: 1977-09-13
Publication date: 1979-11-08
Also published as: JPS5941351B2; FR2364578A1; FR2364578B1; JPS5335322A; US4242694A; DE2741226A1; NL7710002A; DE2741226C3; GB1573185A

Description

Eine Festkörper-Farbbildaufnahmeeinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 25 04 317 bekannt. Bei derartigen Einrichtungen bestehen folgende Schwierigkeiten:

(a) Die optische Absorptionskante von Silicium liegt bei einer Wellenlänge von 900 nm, und die üchtempfindlichkeit des Siliciums ist im infraroten Bereich hoch. Die Lichtempfindlichkeit von Silicium ist dagegen im sichtbaren Bereich (450 bis 660 nm), insbesondere im blauen Spektralbereich (450 nm), der für die gewöhnliche Bildaufnahme erforderlich ist, sehr gering. Zum Nachweis wurde -«ersuchsweise zunächst eine Farbkamera mit drei Platten hergestellt, bei der drei Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtungen mit Silicium-MOS-Struktur für Blau (450 nm), Grün (550 nm) bzw. Rot (660 nm) verwendet wurden. Dabei hat sich gezeigt, daß die Lichtempfindlichkeit der Bildaufnahmeeinrichtung für blaues Licht nur etwa '/s der Lichtempfindlichkeit der hochempfindlichen Bildaufnahmeeinrichtung für rotes Licht und die Lichtempfindlichkeit der Bildaufnahmeeinrichtung für grünes Licht etwa ²/3 der Lichtempfindlichkeit der Bildaufnahmeeinrichtung für rotes Licht ist Die durch das einfallende Licht erzeugten Ladungen werden in den Halbleiurübergang-Kapazitäten der Photodioden gespeichert und mit einer vorgegebenen Frequenz (nach der NTSC-Norm beträgt diese Frequenz 30 Hz) ausgelesen. Wenn die in der Photodiode für Rot gespeicherten Ladungen die Kapazität bereits voll ausnutzen, sind in der Kapazität der Photodioden für Grün Signalladungen nur bis zu ⁷Ii der Speicherkapazität und in der Kapazität der Photodiode für Blau nur >/s der Speicherkapazität gespeichert Der Rauschabstand der Einrichtung für Blau ist daher sehr klein, was zu schwerwiegenden Nachteilen bei der praktischen Verwendung führt oder die praktische Verwendung ganz ausschließt. Wird der Rauschabstand dadurch verbessert, daß die Signalladungen die gesamte Dioden-Speicherkapazität in der Einrichtung für Blau ausnützen, so wird die Dioden-Speicherkapazität bei der Einrichtung für Rot um das Vierfache und die Dioden-Speicherkapazität bei der Einrichtung für Grün um das Doppelte überschritten. Daher fließen die die Speicher-Kapazität der Photodioden übersteigenden Ladungen in die Umgebung ab, wodurch das Auflösungsvermögen bei den Einrichtungen für Rot und für Blau verschlechtert wird.

(b) In die Bildaufnahmeeinrichtung dringt auch Licht mit einer größeren Wellenlänge als Rotlicht, d.h. Infrarotlicht ein, und erzeugt unnötige und nicht gewünschte Ladungen. Da der Absorptionskoeffizient bei Silicium für Infrarotstrahlung klein ist, dringt die Infrarotstrahlung tief in das Siliciumsubstrat ein. Die dabei erzeugten Ladungen diffundieren nicht nur an der

Stelle, an der die infrarote Strahlung einfallt, in die Diode, sondern auch in die umgebenden Dioden, so daß dadurch auch wieder das Auflösungsvermögen der Bildaufnahmeeinrichtung wesentlich verschlechtert wird

Wenn also getrennte Bildaufnahmeeinrichtungen für jeweils eine der drei Primärfarben in der zuvor beschriebenen Weise verwendet werden, muß das optische System für die jeweiligen drei Primärfarben bis zu einem gewissen Maße getrennt voneinander ι ο ausgebildet sein. Dies macht das Aufnahmegerät groß. Abgesehen von der Tatsache, daß die Ausrichtung der drei Bildaufnahmeeinrichtungen, die erforderlich ist, um die Bilder mit den drei Primärfarben genau übereinander zu bekommen, schwierig ist, wird die gesamte Kamera auch notwendigerweise teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bildqualität bezüglich Farbtreue, Rauschabstand und Auflösung bei einer Festkörper-Farbbildaufnahmeeinrichtung der eingangs angesprochenen Gattung zu verbessern.

Bei der Lösung dieser Aufgabe gemäß dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 werden die Unterschiede in der Lichtempfindlichkeit für die einzelnen Farben dadurch kompensiert, daß die Lichtmengen der jeweiligen Farbkomponenten, die in den zugehörigen photoelektrischen Elementen Ladungsträger erzeugen, der tatsächlichen Intensität der betreffenden Farbkomponenten entsprechen. Dadurch wird einerseits verhindert daß der Rauschabstand für blaues Licht zu klein wird, und andererseits, daß das Auflösungsvermögen aufgrund eines Überfließens voi durch rotes Licht überschüssig erzeugten Ladungen oder aufgrund von Ladungsdiffusion von bei rotem Licht in zu großer Tiefe erzeugten Ladungsträgern verringert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

Fig. IA einen Querschnitt durch eine Festkörper-Farbbildaufnahmeeinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. IB eine Darstellung zur weiteren Erläuterung des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1A,

Fig. IC eine Draufsicht auf die Einrichtung nach Fig. IA,

F i g. 1D bis IH Querschnitte zur Erläuterung verschiedener Stufen bei der Herstellung des Ausführungsbeispiels nach F i g. IA und

F i g. 2 bis 7 Querschnitte durch weitere Ausführungsbeispiele der Festkörper-Farbbildaufnahmeeinrichtung.

Bei der in F i g. IA bis IH gezeigten Ausführungsform einer Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung, wobei Fig. IA einen Schnitt längs der in Fig. IC eingezeichneten Schnittlinie IA-IA darstellt, sind in einem Silicium-Halbleitersubstrat 1 eines ersten Leitfähigkeitstyps (beispielsweise mit n-Leitfähigkeit) photoelektrische Elemente integriert. Mit dem Pfeil 100 ist das einfallende Licht angedeutet Die Bereiche R, G und B bilden die rot, grün, blau zugeordneten photoelektri- &o sehen Elemente. Diese drei Elemente bilden eine Einheit oder eine Gruppe und sind in regelmäßiger Anordnung als Matrix angeordnet. Ein in Fig. IC dargestelltes optisches Filter 101 teilt das Bild eines aufzunehmenden Gegenstandes in die jeweiligen Farbkomponenten (in t>5 diesem Ausführutigsbeispiel in drei Primärfarben Rot, Grün und Blau) auf und ist durch Aufkleben oder eine andere Befestigungsart auf der dem einfallenden Licht 10Q zugewandten Seite dieser Einrichtung ausgebildet bzw, »ufgebrepht. Das Licht der getrennten Farbkomponenten trifft auf die jeweiligen photoelektrischen Elemente auf. Das optische Filter t01 besteht aus einem strcifenförmigen Farbfijterelement 101Äfür Rot, einem streifenförmigen Farbfilterelement 101G für GrQn und einem streifenförmigen Farbfiltereleinent lOlÄfür Blau

Jedes photoelektrische Element umfaßt eine Gate-Elektrode 2R, 2(7 oder 2B, die von einer Isolierschicht 3 umgeben sind, eine Drain-Elektrode AR, AG oder AB, die aus einer fremdatomdotierten Schicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps (beispielsweise vom p-Leitfähigkeitstyp), der dem Leitfähigkeitstyp des Substrats entgegengesetzt ist, ausgebildet ist, sowie eine Source-EIektrode SR, 5G oder 53, die als fremdatomdotierte Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet ist Ein Obergang (beispielsweise ein p-n-Ubergang), der zwischen jeder Source-Zone und dem Substrat liegt, wird als Photodiode für die photoelektrische Umwandlung verwendet (da der Source-Übergang auch als Photodioden-Obergang dient und die eindeutige urv klare Beschreibung dieser Einrichtung dadurch nicht bcijnträchtigt wird, wird die Photodiode nachfolgend mit demselben Bezugszeichcii versehen). Die Source-EIektrode 5R dient als Photodiode für Rot die Source-EIektrode 5G dien'- als Photodiode für Grün und die Photoelektrode SB dient als Photodiode für Blau. Lichtdurchlässige leitende Schichten 6/7 und 6G sind auf den Isolierschichten 3' ausgebildet und überdecken die Photodiode vollständig oder teilweise. Die lichtdurchlässige leitende Schicht 6Ä wird für Rot und die lichtdurchlässige leitende Schicht 6G wird für Grün verwendet Bei dem vorliegenden Ausfühmngsbeispiel ist für Blau keine leitende Schicht aus einem nachfolgend noch zu beschreibenden Grund vorgesehen. Die leitenden Schichten 6R und 6G werden mit einer Spannung (die beispielsweise Massepotential mit Null Volt sein kann) beaufschlagt die über einen Anschluß 7 angelegt wird, wobei diese Schichten 6/? und 6G auf der vorgegebenen Spannung festgehalten werden. Signalausgangsleitungen 8Ä,8Gund 85stehen mit den Diain-Elektroden 4R, 4G bzw. 4ß in Verbindung. Wenn Abtastimpulse an den Gate-Elektroden 2R, 2G und 2B angelegt werden, werden die in den Dioden 5R,5Gund 5fl gespeicherten Ladungen als Signale, die die Lichtmenge wiedergeben, über die Signalausgangsleitungen 8R, SG bzw. 85 ausgegeben. Eine Feldisolier-Oxidschicht 9 isoliert die nebeneinander liegenden photoelektrischen Elemente voneinander.

Die Bildaufnahmeeinrichtungen mit dem zuvor beschriebenen Aufbau kann in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß zusätzlich zum an sich bekannten MOS-Feriigungsvorgang weitere Schritte zu; Ausbildung der Leiterschichten vorgenommen werden. Fig. IB zeigt die photoelektrischen Elemente in Aufsicht, dert/i Querschnitte in Fig. SA dargestellt sind. F i g. 1B gibt die Anordnungen der Photodioden 10/?, 1OGund ί 05 und der Leiterschichten llÄund HG wieder. Fig. IC zeigt die allgemeine Anordnung u:<d Ausbildung der Bildaufnahmeeinrichtung in Aufsicht. Die die BildaufnahmeeinriQhtung bildenden Einheiten, die jeweils aus den in den Fig. IA und 1B dargestellten Bereiche R, G und B bestehen, sind in zwei-dimensionaler Anordnung in der X- und der V-Richtung angeordnet. Da die Photodioden durch die dicken Isolierschichten 9 voneinander isoliert sind, brauchen die die Photodioden überdeckenden Leiterschichten 6/? und 6G hinsichtlich der jeweiligen Dioden nicht isoliert

zu sein; sie müssen jedoch in Streifen zusammengefaßt sein. Darüberhinaus sind die in Streifenform angeordneten Leiterschichten miteinander verbunden, und ein Ende einer solchen integralen Leiterschicht dient als Anschluß 7 zum Anlegen der Spannung.

Die photoelektrischen Elemente sollen nachfolgend beschrieben werden. Die Source-Elektroden 5R, 5Gund SB legen die Dioden mit einem Halbleiterübergang zwischen sich und dem Substrat fest. Die jeweiligen Dioden für Rot, Grün und Blau besitzen Übergangskapazitäten und C/r, Cig und C/b. Diese Kapazitäten weisen gleiche Kondensatorwerte C/

(C//j=C/f;=C/fl=C/) auf, weil die Obergangsflächen, d.h. die in Fig. IB dargestellten Layout-Musterbereiche der jeweiligen Dioden einander gleich sind. Da die Leiterschichten 6Λ und 6G fest auf einer vorgegebenen Spannung gehalten werden, liegen diese Leiterschichten zwischen sich und den Source-Elektroden SR bzw. SG Isolierschicht-Kapazitäten Cox fest, wobei die Leiterschicht %R für Rot eine Kapazität Cav« und die Leiterschicht 6C für Grün eine Kapazität Cnxc, besitzt. Die jeweiligen Kapazitäten Coxr und Coxg sind durch die Dicke dox und die dielektrische Konstante Box der Isolierschichten und die Überlappungsflächen 5« (für Rot) und Sg (für Grün) zwischen den Leiterschichten und den Dioden festgelegt und durch folgende Gleichungen gegeben:

C₀

(I)

_r _ Ov ■ S₍,

"ox

35

Die Gesamtkapazität jedes photoelektrischen Elementes ist dann die Summe aus der Übergangs-Kapazität C; und der Isolierschicht-Kapazität Cox- Die Kapazitäten Cr, Cg und Cb der jeweiligen photoelektrischen Elemente für Rot, Grün bzw. Blau sind durch -»o folgende Gleichung gegeben:

C« = C₀

Cf, = Co Cn = Cj

(3) 14)

(5)

Die (Halbleiter-)-Übergangskapazität C/ ist normalerweise kleiner als die Isolierschicht-Kapazität Cox, obwohl sie aucn von der Fremdatomkonzentration des verwendeten Substrats abhängt Wenn das Halbleitersubstrat eine Fremdatomkonzentration von 10¹⁵/cm³ und die Isolierschicht eine Dicke von dox= 100 nm aufweist, wie dies beim MOS-Fertigungsvorgang üblich ist, ist die Obergangskapazität C/ ¹A der Isolierschicht-Kapazität Cox, vorausgesetzt, daß die Leiterschicht 6 über die gesamte Fläche der Photodiode ausgebildet ist, d. h., daß die Isolierschicht-Kapazität Cox den Wert Coxr hat Wenn die Überlappungsfläche für Grün halb so groß wie die Überlappungsfläche für Rot ist, wie dies in den Fig. IB und IC dargestellt ist, wird das Kapazitätsverhältnis zwischen den elektrischen Elementen Cr: Cg: Cb = 5:3 :1. Dieses Verhältnis ist gleich dem Verhältnis zwischen der Lichtempfindlichkeit der photoelektrischen Elemente für Rot, Grün und Blau, die bei Verwendung von Silicium als Substrat ausgebildet werden. Infolgedessen füllen die Lichtmen-

60 gen die Speicherkapazitäten der photoelektrischen Elemente für die jeweiligen Farben in gleichem Maße bei allen drei Elementen für Rot, Grün und Blau in gleicher Weise auf. Auf diese Weise kann vermieden werden, daß der Rauschabstand klein ist, was auf die Tatsache zurückzuführen war, daß die Ladungsmenge bezüglich der Speicherkapazität zu klein war. Weiterhin ist es dadurch möglich, eine Verringerung des Auflösungsvermögens auf Grund dessen, daß die Speicherkapazität bezüglich der gesamten erzeugten Ladungsmengen und des dadurch auftretenden Ladungsüberfließens in die Umgebung verhindert wird. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, daß die Systemausbildung der Kamera sehr einfach wird.

Die Tatsache, ob die zuvor beschriebene Leiterschicht eine lichtdurchlässige Leiterschicht aus SnO₂, In₂Oi oder dgl. ist, oder ob eine teillichtdurchlässige Schicht, die aus einer dünnen Metallschicht aus An. Al. Cr oder dgl. besteht, verwendet wird, beeinflußt die Größe der Kapazität. Wenn ein infrarote Strahlung absorbierendes Material verwendet wird, kann die Leiterschicht auch als Filter für die Infrarotstrahlungsabsorption dienen, da Infrarotstrahlung für die Farbbildaufnahme nicht erforderlich ist und das Auflösungsvermögen verschlechtert, wie dies zuvor bereits erwähnt wurde. Wenn das bei der Herstellung von integrierten HalbHterschaltungen häufig verwendete polykristalline Silicium als Material für die Leiterschicht verwendet wird, treten bei der Fertigung keine Schwierigkeiten auf, da dieses Material mit der integrierter. MOS-Schaltung verträglich ist. Darüberhinaus absorbiert polykristallines Silicium infrarote Stahlung, so daß die Leiterschicht auch als Infrarotfilter dient. Die Absorptionsmenge, die vom Filter absorbiert wird, kann durch Wahl der Schichtdicke des polykristallinen Siliciums auf einen geeigneten bzw. gewünschten Wert eingestellt werden. Da die auf Grund der Infrarotstrahlung in der Schicht erzeugten Ladungen normalerweise durch die angelegte Spannung kompensiert werden, bleibt die Leiterschicht spannungsmäßig immer auf der angelegten Spannung festgehalten und es treten dadurch keine Schwierigkeiten auf.

Um die Erläuterungen zu vereinfachen, wurde das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel anhand des einfachsten Aufbaus erläutert, nämlich anhand des Ausführungsbeispiels, bei dem die photoelektrischen Elemente für Rot, Grün und Blau in Streifenform angeordnet sind. Auch die an sich bekannte schachbrettartige Anordnung kommt jedoch in Betracht In diesem Falle kann das gleiche Verfahren bei den photo lektrischen Elementen für die jeweiligen Farben angewandt werden. Bei dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel wurden drei Primärfarben als Farbkomponenten beschrieben, die vom optischen Filter getrennt wurden. Es ist jedoch auch möglich, Komplementärfarben (Cyan, Magenta und Gelb) als die drei Primärfarben zu verwenden. In diesem Falle kann Cyan statt Blau, Magenta statt Grün und Gelb statt Rot verwendet werden. Diese Abwandlungen sind in gleicher Weise auch bei den Ausführungsbeispielen 2 bis 6 durchführbar, wie dies im weiteren noch erläutert werden wird.

Anhand der Fig. ID bis IH soll nachfolgend der Fertigungsvorgang einer Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung mit dem obigen Aufbau beschrieben werden. Bei diesem Fertigungsverfahren wird das sogenannte LOCOS- (local oxidation of silicon)-Verfahren verwendet mit dem eine besonders hohe Integrationsdichte bei den Herstellungstechniken von MOS-Transistoren

erzielt werden kann. Der Übersichtlichkeit halber werden die Fertigungsschritte nur für das photoelektrische Element f:"ir rotes Licht dargestellt und beschrieben.

(i) Eine erste Oxidschicht 9 wird durch das ^₁ LOCOS-Verfahren auf einem Substrat 1 ausgebildet (Fi-ID).

(ii) Durch thermische Oxidation wird für die Gate-Elektrode 3 eine Oxidschicht und beispielsweise durch das CVD-fchemical vapor deposition)-Verfahren m bzw. das chemische Gasphasenabscheidungsverfahren wird auf die Oxidschicht eine polykriütalline Siliciumschicht 2 für die Gate-Elektrode aufgebracht. Danach wird die polykristalline Siliciumschicht mit Ausnahme des der Gate-Zone entsprechenden Bereiches durch r> Photoätzen entfernt, und die Gate-Oxidschicht außerhalb der Gate-Elektrode wird unter Verwendung der sich zuvor ergebenden Gate-Elektrode als Maske durch Ätzen entfernt (F i g. 1 E).

(iii) Die Drain-Elektrode 4 und die Source-Elektrode 5 (Photodiode) wird durch Eindiffundieren von Fremdatomen des dem Substrat entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch thermische Diffusion gebildet. Die Fremdatome diffundieren gleichzeitig in die polykristalline Siliciumschicht der Gate-Elektrode und verbessern 2> die Leitfähigkeit dieser polykristallinen Siliciumschicht. Danach wird eine zweite Oxidschicht 3' über die gesamte Oberfläche hinweg ausgebildet (F i g. 1 F).

(iv) Auf die zweite Oxidschicht wird beispielsweise dur^.'i Aufdampfen eine beispielsweise 500 bis 1000 nm jo dicke. SnÜ2- oder I^Oj-Schicht, eine beispielsweise 200 bis 500 nm dicke polykristalline Siliciumschicht oder eine beispielsweise 30 bis 300 nm dicke Metall-Dünnschicht aufgebracht. Danach wird die Schicht oder das Material so entfernt, daß die über der Photodiode liegenden Bereiche verbleiben, so daß dadurch eine Eleki'-ode 6 gebildet wird, die die Oxidschicht-Kapazität Cox c nöglidit. Wenn für die Elektrode polykristallines Silicium wie in diesem Falle verwendet wird, sollte das polykristalline Silicium mit Fremdatomen dotiert werden, deren Leitfähigkeitstyp dem Leitfähigkeitstyp des Substrats entgegengesetzt ist wobei diese Dotierung durch ein Diffusionsverfahren oder ein lonenimplantationsverfahren durchgeführt wird, um die Leitfähigkeit des Materials zu erhöhen (F i g. 1 G).

(v) Die über der Drain-Elektrode liegenden zweiten Oxidschichten werden durch Photoätzen entfernt, und über die gesamte Oberfläche hinweg wird durch Aufdampfen eine AI-Schicht aufgebracht Danach wird das Al mit Ausnahme eines Leiterbereichs 8 für den Signalausgang durch Photoätzen entfernt Nun ist die Einrichtung fertiggestellt (Fig.IH). Die Abtastschaltungen, die bezüglich der photoelektrischen Elemente am Rand angeordnet sind, werden ebenfalls mit den in den Fig. ID bis IH dargestellten Verfahrensschritten hergestellt, obgleich dies in den Zeichnungen nicht dargestellt ist

Zur Herstellung des photoelektrischen Elements G für grünes Licht kann eine im zuvor beschriebenen Fertigungsschritt (iv) vorgesehene, an sich bekannte μ Ätzbehandlung durchgeführt werden, so daß eine Elektrode mit einer vorgegebenen Fläche gebildet wird. Zur Herstellung des photoelektrischen Elements B für Blau kann eine Ätzbehandlung durchgeführt werden, um die in der. jeweiligen Eleir.entbereichen ausgebildete Leiterschicht vollständig zu entfernen.

Bei der in F i g. 2 gezeigten AusfÜhrungslOrm sind die Flächen der Leiterschicht die zur Vergrößerung der Speicherkapazitäten ausgebildet sind, für alle photoelektrischen Elemente für Rot, Grün und Blau gleich, wogegen die Dicken der Isolierschichten, die unter den Leiterschichten liegen, für die einzelnen Elemente für die jeweiligen Primärfarben unterschiedlich sind. Die jeweiligen Dicken der Isolierschichten 12/7, YlG und 125 sind in Abhängigkeit von den Lichtfarben der photoelektrischen Elemente unterschiedlich. Über der isolierenden Oxidschicht 12 ist eine Leiterschicht 13 mit lichtpermeablen Eigenschaften (lichtdurchlässig bzw. halblichtdurchlässig) ausgebildet. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen denen von Fig. 1.

Hier soll ein Beispiel gegeben werden, bei dem die Speicherkapazitäten der photoelektrischen Elemente für die jeweiligen Primärfarben proportional der Lichtempfindlichkeiten der jeweiligen Elemente gemacht werden. Wenn eine Siliciumoxid-(SiO2)-Schicht als Isolierschicht verwendet wird, und wenn die Oxidschicht \?.B für das Element für Blau 500 nm dick ist, so ergibt sich aus den Gleichungen (3), (4) und (5), daß die Dicke der Oxidschicht 12Gfürdas Element für Grün 160 nm und die Dicke der Oxidschicht 12/? für das Element für Rot 100 nm beträgt. Normalerweise wird eine Siliciumoxid-(SiO2)-Schicht als Isolierschicht verwendet. Die Fertigungsgenauigkeit von S1O2 ist unter den MOS-Fertigungsverfahren die höchste und eine Abweichung der Schichtdicke liegt in der Größenordnung von 2 nm. Auch wenn die Schicht nur 100 nm dick ist, beträgt die Abweichung nur 2%, und das Verhältnis der Speicherkapazitäten kann sehr genau eingestellt bzw. festgelegt und bei der Herstellung gesteuert werden. Wenn eine noch größere Genauigkeit gewünscht wird, können die Oxidschichten dicker ausgebildet werden; beispielsweise können dann Dicken von 1000 nm für Blau, 330 nm für Grün und 180 nm für Rot gewählt werden.

Bei dem in F i g. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel v/ird ein teillichtdurchlässiges Material für die über dem Photodiodenbereich ausgebildete Leiterschicht verwendet, und die Dicke der teildurchlässigen Leiterschichter. ist für die jeweiligen photoelektrischen Elemente für Rot, Grün und Blau unterschiedlich, so daß das Verhältnis der Lichtmengen, die schließlich bis zu den Photodioden hindurchgehen und in die Elemente eindringen, für die jeweiligen Farben unterschiedlich sind. Teillichtdurchlässige Leiterschichten 14/?, 14G und 14ß sind auch den Isolierschichten 3' ausgebildet und überdecken die gesamten Bereiche der Photodioden für Rot Grün bzw. Blau. Diese Leiterschichten 14/?, 14G und 14ß sind in dieser Reihenfolge jeweils immer danner ausgebildet Auf diese Weise ist es möglich, daß die Leiterschicht 14i?die größte Lichtmenge absorbiert, so daß auf die Photodiode SR für Rot, die die höchste Lichtempfindlichkeit besitzt, die kleinste Lichtmenge auftrifft Umgekehrt trifft dann auf die Photodiode SB für Blau, die die geringste Lichtempfindlichkeit besitzt, die größte Lichtmenge auf. Infolgedessen können die in den jeweiligen Photodioden für Rot Grün und Blau erzeugten Ladungen innerhalb einer Teilbildperiode einander gleichgemacht werden.

Nachfolgend soll ein Beispiel für den Fall angegeben werden, bei dem das für die Herstellung einer integrierten MOS-Schaltung geeignete polykristalline Silicium für die teillichtdurchlässige Leiterschicht verwendet wird. Da der Absorptionskoeffizient für Rot (660 nm) 4 χ KP cm-', für Grün (550 nm) 6 χ 10³ cm-' und für Blau (450 nm) 2 χ 10* cm -' ist (vgl. W. C. Dash et al. Physical Review 99,1151 (1955)) kann die Schicht für

Rot 500 nm, für Grün 330 nm und für Blau 100 nm dick sein.

Bei der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform ist die Leiterschicht 16ß für das photoelektrische Element für Blau, welches die geringste Lichtempfindlichkeit auf- -, weist, aus e'nem lichtdurchlässigen Film irgendeiner gewünschten Dicke unter Verwendung beispielsweise von Zinnoxid hergestellt. Da die Zinnoxidschicht praktisch vollständig lichtdurchlässig ist, kann die Schichtdicke je nach Wunsch gewählt werden. Für die i» Elemente für Rot und Grün, die relativ hohe Lichtempfindlichkeiten aufweisen, werden wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, teillichtdurchliissige Leitßrschichten 15/? bzw. 15C verwendet. Die Schicht 15C weist eine etwa 6O°/oige Dicke in bezug auf die r, Dicke der im dritten Ausführungsbeispiel verwendeten Schicht 15/? auf.

Beispielsweise wird als Schicht 15/? ein 4000 mn dickes PoNsüiciurn und sls Schicht I5G 200^ pid dickes Polysilicium verwendet. _>o

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein MOS-Transistor zur Weiterleitung oder Ausleitung der Signalladungen verwendet. Es ist jedoch auch möglich, eine Ladungsweiterleitungs-Einrichtung, beispielsweise ein CTD-Element bzw. ein Ladungsver- r> schiebe-Element zu verwenden, das ebenfalls mil dem Verfahren zur Herstellung von integrierten Halbleiterscnaltungsn hergestellt werden kann. Die F i g. 5 und 6 zeigen ein Ausfühi ungsbeispiel, bei dem die Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung in Verbindung mit einem in ladungsgekoppelten Speicher (mit einer sogenannter. CCD-Einrichtung) gemäß dem Zeilenadressensystem verwendet wird (M. F. Tompsett et al., »Charge-coupling improves its image, Chall enging video camera tubes,» Electronics Jan. 18, Seiten 162 bis 160, 1973). In den Fig.5 und 6 ist wie in Fig. 1 bis 4 das optische Filter weggelassen. Wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsformen werden mit den Buchstaben R, G und ßdie photoelektrischen Elemente für Rot, Grün und Blau bf zeichnet, die in regelmäßiger Form angeordnet sind. Die Photodioden sind mit den Bezugszeichen 17/?, 17Cund 17ß versehen. Über eine schaltende Gate-Elektrode 18 werden die in der Photodiode gespeicherten Lichtsignalladungen einer das Signal weiterleitenden Elektrode 19 eines ladungsgekoppelten Speichers zugeleitet. Zwischen den Elektroden 18, 19 und dem Substrat 1 liegt eine isolierende Oxidschicht 20, und zwischen den Elektroden 18 und 19 liegt eine isolierende Oxidschicht 21. Diese beiden Ausführungsbeispiele entsprechen den anderen zuvor bereits beschriebenen Ausführungsformen insofern, als die Ladungen in den Photodioden proportional zu den auf die Photodioden auftreffenden Lichtmengen erzeugt und gespeichert werden.

Die beiden Ausführungsbeispiele gemäß F i g. 5 und 6 unterscheiden sich jedoch insofern von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, als die gespeicherten Ladungen nicht über einen Leiter, sondern mittels des an sich bekannten ladungsgekoppelten Speicher bzw. ladungsgekoppelten Systems in einem Halbleiter nacheinander von einar Potentialsenke zur nächsten Potentialsenke übertragen werden, indem eine mehrphasige Impulsspannung verwendet wird, die mit den Tastimpulsen synchronisiert wird, weiche auf die in großer Zahl entlang der senkrecht zur Zeichnung angeordneten Ladungsverschiebewegen angeordnet sind, angelegt werden, und die eine hone Frequenz besitzt

Bei dem in F i g. 5 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel sind isolierende Oxidschichten 22/?, 22G und 225 aus S1O2 oder einem entsprechenden Material für die Elemente für Rot, Grün bzw. Blau dargestellt, wobei diese Schichten in der angegebenen Reihenfolge jeweils dicker sind. D'e Lichtpermeablen Leiterschichten (beispielsweise SnO2-Schichten) 23 sind gleich dick. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Oxidschicht-Kapazitäten Cox, die den Übergangskapazitäten C/ zuaddiert werden sollen, wie beim zweiten Ausführungsbeispiel für die jeweiligen Farben unterschiedlich gewählt, so daß die Kapazitäten Cn, Ca und Cb der jeweiligen photoempfindlichen Elemente für Rot, Grün und Blau der Lichtempfindlichkeit des Elementes für die jeweiligen Lichtfarben entsprechen. Die OxId-(SiO₂)-Schichten 22/?, 22G und 22S könnri also 100 nm, 160 nm bzw. 500 nm dick sein.

Bei dem in F i g. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel

cinr! i\\p tpillirhtrliirrhlä«iijpn I pitpr«rhirhtpn wip hpim

dritten Ausführungsbeispiel für die jeweiligen Farben unterschiedlich dick gewählt, und das Verhältnis der tatsächlich auf die Photodioden auftreffenden und in die Photodioden eindringenden Lichtmengen ist bei den photoelektrischen Elementen jeweils unterschiedlich, so daß dadurch die für die jeweiligen Farben unterschiedliche Quantenausbeute in den Photodioden kompensiert wird. Die Leiterschichten 25/?, 25C und 25S für Rot, Grün und Blau, die über den isolierenden Oxidschichten 24 aus S1O2 oder einem ähnlichen Material ausgebildet sind, und bei denen teillichtdurchlässiges polykristallines Silicium verwendet wird, sind wie beim dritten Ausführungsbeispiel daher 500 nm, 330 nm bzw. 100 nm dick. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen können mit Fertigungsschritten gefertigt werden, die den Fertigungsschritten der obigen Ausführungsbeispiele entsprechen.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Photodiode für die photoelektrische Wandlung verwendet. Anstelle der Photodiode kann die Tatsache ausgenutzt werden, daß Ladungen durch einfallendes Licht in einer Verarmungsschicht induziert werden, die auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist. F i g. 7 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform, bei der diese Maßnahme vorgesehen ist In F i g. 7 ist wieder das optische Filter weggelassen. Auf dem Halbleitersubstrat 1 befindet sich eine lichtpermeable Leiterschicht 26, die vom Halbleitersubstrat 1 durch eine isolierende Oxidschicht 27 aus S1O2 oder dgl. isoliert ist. Wenn eine Spannung (die normalerweise bei der Größenordnung von 5 bis 10 Volt liegen kann) größer als die Schwellwertspannung eines MOS-Transistors ist, an die Leiterschicht 26 angelegt wird, wird in der Oberfläche des Süicium-Halbleitersubstrats leine einige Mikrometer dicke Verarmungsschicht 28 gebildet Eine lichtpermeable Gate-Elektrode 30 ist auf der lichtpenr.eablen Lederschicht 26 ausgebildet und von dieser durch eine isolierende Oxidschicht 29 aus SiO₂ oder dgL isoliert Die lichtpermeable Gate-Elektrode führt die in der Verarmungszone 28 während einer Teilbildperiode erzeugten Lichtsignalladungen auf Grund eines Abtastimpulses an eine Drain-Elektrode 31, die mit einer Signalausgangsleitung 32 in Verbindung steht Eine isolierende Oxidschicht 33 aus SiO₂ oder dgL isoliert die Gate-Elektrode 30 gegenüber der Signalausgangsleitung32.

Neben der Funktion als Ladungsübertragung dient die Gate-Elektrode 30 gleichzeitig dazu, die Lichtmengen, die auf die photoelektrischen Wandlcbereiche für

Rot, GrUn und Blau auftreffev·, einzustellen, so daß die in den photoelektrischen Elementen für die jeweiligen Farben während einer Teilbildperiode zu erzeugenden Gesamtladungsmengen gleich sind. Die Gate-Elektrode 3OR für Rot überdeckt den gesamten bereich der Verarmungsschicht 28, die Gate-Elektrode 3OG für Grün bedeckt einen Teil der Verarmungsschicht 28 und die Gate-Elektrode 3OS für Blau liegt nur in einem Bereich, der für die Gate-Elektrodenwirkung erforderlich ist und überhaupt nicht über der Verarmungsschicht ι ο 28. Das Flächenverhältnis der Verarmungsschicht-Bereiche, die von den Gate-Elektroden 30 bedeckt werden, ändert sich in Abhängigkeit von der Dicke und dem Material der darunterliegenden lichtpermeablen Leiterschichten 26. Dieses Flächenverhältnis kann so gewählt oder eingestellt werden, daß die über die beiden Arten

von lichtpermeablen Leiterschichten 30 und 26 in die Verarmungsschichten 28 eindringenden Lichtmengen umgekehrt proportional zu den Färb-Photoempfindlichkeiten der photoelektrischen Elemente R, C und B für die jeweiligen Farben ist.

Der Aufbau bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann dadurch geschaffen werden, daß die Reihenfolge, in der die Gate-Elektroden und die lichtpermeablen Leiterschichten bei dem Herstellungsvorgang des ersten Ausführungsbeispiels umgekehrt werden. Der Aufbau beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann auf einfache Weise dadurch hergestellt werden, daß nach Ausbildung der lichtpermeablen Leiterschichten 26 die isolierenden Oxidschichten 29 darauf aufgebracht werden, wobei die Gate-Elektroden 30 vorher ausgebildet wurden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Festkörper-Farbbildaufnahmeeinrichtung mit mehreren Gruppen von in einem Hauptoberflächenbereich einesSilizium-Halbleiterkörpers angeordneten fotoelektrischen Elementen, deren jedes einer durch ein optisches Filter abgetrennten Farbkomponente zugeordnet ist, wobei in den einzelnen fotoelektrischen Elementen die durch Belichtung erzeugte Ladung jeweils in einer Sperrschichtkapazität oder einer Verarmungsschicht speicherbar und aber eine Schalteinrichtung bei Anlegen eines Steuersignals auslesbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes fotoelektrische Element (R, G, B) einen IG-FET umfaßt, dessen Source- oder Drain-Zone (5; 17; 28) zur Speicherung der Ladung dient und mit einer mindestens teilweise lichtdurchlässigen Isolierschicht (3'; 12; 20,22; 24; 27) bedeckt sowie eir-ftr mindestens teilweise lichtdurchlässigen Elektrode (6:13:14:15:23; 25:26) versehen ist. und daß die Unterschiede in der Lichtempfindlichkeit für die einzelnen Farben durch die Größe der von der Source- bzw. Drain-Zone, der Isolierschicht und der Elektrode gebildeten Kapazität (Cox) und/oder durch die Lichtdurchlässigkeit der Isolierschicht und/oder der Elektrode kompensierbar sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige Elektrode (6R) des photoelektrischen Elements (R) für das rote Licht die zugehörige Ladungsspeicherzone (SR) vollständig abdeckt, die lichtdurchlässige Elektrode (6R) des photoelek.irische>; Elements (G) für das grüne Licht die zugehörige Ladungsspeicherzone (5G) teilweise bedeckt und die lichtdurchlässige Elektrode (6U₁ 22B) des photoelektrischen Elementes (B)iür das blaue Licht weggelassen ist (F i g. 1).

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige Isolierschicht (12/?; 22R) des photoelektrischen Elements (R) für das rote Licht dünner ist als die lichtdurchlässige Isolierschicht (12G; 22G) des photoelektrischen Elements (G) für das grüne Licht, die ihrerseits dünner ist als die lichtdurchlässige Isolierschicht (12fl; 22B) des photoelektrischen Elements (B) für das blaue Licht (F i g. 2; 5).

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige Elektrode (14/?; 15/?; TSR) des photoelektrischen Elements (R) für das rote Licht dicker ist als die lichtdurchlässige Elektrode (14G; 15G; 25G; des photoelektrischen Elements (G) für das grüne Licht, die ihrerseits dicker ist als die lichtdurchlässige Elektrode (14ß; 155; 25S;des photoelektrischen Elements (B)für das blaue Licht(F ig.3;4;6).

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode (30R) des IG-IFETs in dem photoelektrischen Element (R) für das rote Licht lichtdurchlässig ist und die zugehörige Ladungsspeicherzone (28) vollständig überdeckt, die Gate-Elektrode (30G) des IG-FETs in dem photoelektrischen Element (G) für das grüne Licht lichtdurchlässig ist und die zugehörige Ladungsspeicherzone (28) teilweise bedeckt und die Gate-Elektrode (30B) des IG-FETs in dem photoetoktrischen Element (B) für das blaue Licht die zugehörige Ladungsspeicherzone (28) nicht bedeckt (F i g. 7).

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der lichtdurchlässigen Elektroden (6? 13} 14; t5; 23; 25; 26) aus Zinnoxid, Indiumoxid, Titanoxid, polykristallinen! Silicium, Aluminium, Platin, Palladium, Molybdän, indium, Chrom und/oder Gold besteht,

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe aus drei photoelektrischen Elementen (R, G, 3) jeweils für die Komplementärfarben der Primärfarbe,i, nämlich Cyan, Magenta und Gelb, besteht