DD289161A5

DD289161A5 - CHARGE SENSOR WITHOUT RESET CLOCK FOR SEMICONDUCTOR COMPONENTS

Info

Publication number: DD289161A5
Application number: DD33466089A
Authority: DD
Inventors: Michael Pierschel; Burghard Korneffel
Original assignee: Veb Werk Fuer Fernsehelektronik,De
Priority date: 1989-11-17
Filing date: 1989-11-17
Publication date: 1991-04-18

Abstract

Es wird ein Ladungssensor fuer CCD-Register vorgeschlagen, bei welchem eine zerstoerungsfreie Detektion von Signalladungen erfolgt, der keines Resettaktes bedarf und bei dem keine direkte kapazitive Kopplung zu den Taktelektroden besteht. Der Signalspannungshub wird an einer Oberflaechenschicht vom Substratleitungstyp erzeugt und abgegriffen. Die Lage des Arbeitspunktes wird durch die vorgebbare Hoehe einer Potentialbarriere festgelegt, wobei die Einpegelung auf diesen Wert durch freibewegliche Substratladungstraeger ueber intern wirkende halbleiterphysikalische Prozesse geschieht. Das Gebiet, in welchem sich die Sensorpotentialmulde ausbildet, besteht aus einer in das Substrat eingebrachten ersten Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp und einer flachen zweiten Dotierungszone vom Substratleitungstyp, welche die erste Dotierungszone ueberdeckt. Ein Flusz von Ladungstraegern des Substratleitungstyp aus Kanalstoppergebieten oder aus dem Substrat in die zweite Dotierungszone hinein wird durch die Anordnung von Potentialbarrieren unterbunden.{CCD; Schieberegister; Ladungssensor; charge; Register, register, floating; Signalspannung; Potentialbarriere}A charge sensor for CCD registers is proposed in which a non-destructive detection of signal charges takes place which requires no reset clock and in which there is no direct capacitive coupling to the clock electrodes. The signal voltage swing is generated and picked up on a substrate layer type surface layer. The position of the operating point is determined by the predeterminable height of a potential barrier, whereby the leveling to this value is effected by freely movable substrate charge carriers via internally acting semiconductor-physical processes. The region in which the sensor potential well is formed consists of a substrate-reverse-type first doping zone and a substrate-type flat second doping zone covering the first doping zone. A flow of charge carriers of the substrate conduction type from channel stopper regions or from the substrate into the second doping zone is prevented by the arrangement of potential barriers. {CCD; Shift register; Charge sensor; charge; Register, register, floating; Signal voltage; Potential barrier}

Description

Hierzu 8 Seiten ZeichnungenFor this 8 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung beinhaltet ein neuartiges Konzept eines, Ladungssensors für ladungsgekoppG.te Bauelemente (CCD). Solcherart Bauelemente finden vielfältige Anwendung in der Mikroelektror ik und in der Optoelektronik sowohl in Form einzelner Zeilen als auch in flächenförmigen Anordnungen.The invention includes a novel concept of a Charge Coupled Charge (CCD) charge sensor. Such devices find diverse applications in the Mikroelektror ik and in optoelectronics both in the form of individual lines and in sheet-like arrangements.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Bei ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD) sind vorrangig zwei Arten der Ladungsdetektion üblich. Zum einen der sogenannte floating-gate-Ausgang und zum anderen der floating-diffusion-Ausgang.In charge coupled devices (CCD), two types of charge detection are common. On the one hand the so-called floating gate output and on the other hand the floating diffusion output.

Der floating-diffusion-Ausgang nutzt zur Ladungsdetektion eine gegen das Substrat in Sperrichtung vorgespannte Diode, die mit dem Gate eines nachfolgenden FET verbunden ist. Gelangt die Signalladung in das Diodengebiet, so ruft sie an der möglichst kleinen Kapazität, bestehend aus Sperrschichtkapazität der Diode gegen das Substrat und der Lastkapazität des Gates einen relativ großen Spannungsabfall gegenüber der vorher eingestellten Sperrspannung hervor. Es besteht die Notwendigkeit, vor jeder neu eintreffenden Signalladung diese Sperrvorspannung der Diode aufzufrischen bzw. die Diode auf diese Spannung riJckzusetzen. Die alte Signalladung fließt dabei ab. Der Rücksetztakt dieser Anordnung bringt verschiedene schwer zu kompensierende und gegenüber dem Nutzsignal sehr störende Effekte mit sich. Es treten Störungen auf, die ein mehrfaches des Signalspannungshubes betragen können und es wird versucht, mit aufwendigen nachfolgenden Schaltungen wie z.B. Abtast- und Halteschaltungen oder CDS-Schaltungen dem zu begegnen (vgl. z. B. P. A.Levin, „Low- Noise CCD Signal Recovery", IEEE Transactions on Electron Devices, ED - 32, No. 8, pp. 1534-1537, August 1985; J. Hynececk, „High-Resolution 8 mm CCD Image Sensor with Correlated Clamp Sample and Hold Charge Detection Circuit", IEEE Transactions on Electron Devices, ED-33, No.6, pp. 850-862, June 1986).The floating-diffusion output uses a diode reverse-biased diode coupled to the gate of a subsequent FET for charge detection. When the signal charge arrives in the diode region, it causes a relatively large voltage drop with respect to the previously set reverse voltage at the smallest possible capacitance, consisting of the junction capacitance of the diode against the substrate and the load capacitance of the gate. It is necessary to refresh this reverse bias voltage of the diode before each newly arriving signal charge or to reset the diode to this voltage. The old signal charge flows from it. The reset clock this arrangement brings different difficult to compensate and compared to the useful signal very disturbing effects with it. Disturbances occur which may be a multiple of the signal voltage swing, and it is attempted to deal with expensive subsequent circuits, e.g. Sample and hold circuits or CDS circuits (see eg BPALevin, "Low Noise CCD Signal Recovery", IEEE Transactions on Electron Devices, ED-32, No. 8, pp. 1534-1537, August 1985) J. Hynececk, "High Resolution 8mm CCD Image Sensor with Correlated Clamp Sample and Hold Charge Detection Circuit", IEEE Transactions on Electron Devices, ED-33, No.6, pp. 850-862, June 1986).

Floating-gate-Ausgangsstrukturen vermeiden das Rücksetzen vor jeder einzelnen Signalladung, da sie die kapazitive Kopplung von der Signalladung zu einem Gate zur Ladungsdetektion nutzen und der Arbeitspunkt dieses Gates bei Entfernen der Signalladung auf den vorher eingestellten Wert zurückgeht. Solche Anordnungen werden also entweder gar nicht oder nur in größeren Zeitabständen auf ein Arbeitspunktpotential gebracht und dann potentialmäßig frei „schwimmend" gelassen. Um die Signalladung dem potentialmäßig frei „schwimmenden" Gate (floating-gate) zu- und abzuführen, sind jedoch Taktgateanordnungen erforderlich, die üblicherweise wegen Toleranzproblemen direkt kapazitiv mit dem floating-gate verkoppelt sind. Es werden also Taktstörungen über eine direkte kapazitive Einkopplung an das floating-gate und damit an den Eingang des Ausgangsverstärkers gelangen. Auch diese Störungen können in der Größenordnung des Ausgangssignales liegen.Floating gate output structures avoid the reset before each signal charge, since they use the capacitive coupling from the signal charge to a gate for charge detection and the operating point of this gate goes back to the previously set value when the signal charge is removed. Thus, such arrangements are either not brought to an operating point potential at all or only at relatively long intervals, and then left free in terms of potential "floating." However, clock signal arrangements are required in order to supply and remove the signal charge to the potential-free "floating" gate (floating gate). which are usually coupled capacitive capacitive with the floating gate because of tolerance problems. So there will be clock interference via a direct capacitive coupling to the floating gate and thus reach the input of the output amplifier. These disturbances can also be of the order of magnitude of the output signal.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfinoung ist es, die Ansteuerung und Auswertung von CCD-Bauelementen zu vereinfachen.The aim of Erfinoung is to simplify the control and evaluation of CCD devices.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die Anordnung eines neuartigen Ladungssensors anzugeben, die eine wesentlich störärmere Signalauskopplung aus CCD-Bauelementen realisiert. Erfindungsgemäß wird ein Ladungssensor konstruiert, bei welchem eine ?erstörungsfreie Detektion von Signalladungen erfolgt und der keines Resettaktes bedarf.The invention had the object of specifying the arrangement of a novel charge sensor, which realizes a much smoother signal decoupling from CCD components. According to the invention, a charge sensor is constructed in which a non-destructive detection of signal charges takes place and which requires no reset clock.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, den Signalspannungshub an einer Oberflächenschicht vom Substratleitungstyp zu erzeugen und abzugreifen. Die Lage des Arbeitspunktes wird durch die vorgebbare Höhe einer Potentialbarriere festgelegt, wobei die Einpegelung des Arbeitspunktes durch freibewegliche Substratladungsträger über intern wirkende halbleiterphysikalische Prozesse geschieht.The gist of the invention is to generate and tap the signal voltage swing on a surface layer of the substrate line type. The position of the operating point is determined by the predeterminable height of a potential barrier, whereby the leveling of the operating point by freely movable substrate charge carriers takes place via internally acting semiconductor physical processes.

Das Gebiet, in welchem sich die Sensorpotentialmulde ausbildet, besteht erfindungsgemäß aus einer in das Substrat eingebrachten ersten Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp und einer flachen zweiten Dotierungszone vom Substratleitungstyp, welche die erste Dotierungszone überdeckt. Die Dotandendosis der zweiten Dotierungszone wird so groß gewählt, daß in allen Betriebszuständen des Ladungssensors keine völlige Verarmung der zweiten Dotierungszone an beweglichen Ladungsträgern eintritt.According to the invention, the region in which the sensor potential well forms consists of a first doping zone introduced into the substrate from the conductivity type reversed to the substrate and a flat second doping zone of the substrate conduction type which covers the first doping zone. The dopant dose of the second doping zone is selected to be so large that, in all operating states of the charge sensor, there is no complete depletion of the second doping zone on mobile charge carriers.

Erfindungsgemäß wird ein Fluß von Ladungsträgern des Substratleitungstyps aus Kanalstoppergebieten oder aus dem Substrat in die zweite Dotierungszone hinein durch die Anordnung von Potentialbarrieren unterbunden.According to the invention, a flow of charge carriers of the substrate conduction type from channel stopper regions or from the substrate into the second doping zone is prevented by the arrangement of potential barriers.

Die Höhe der niedrigsten aller dieser Potentialbarrieren für Substratladungsträger legt die Lage des Arbeitspunktes fest. Eine Potentialbarriere zwischen Kanalstoppergebiet und zweiter Dotierungszone kann man beispielsweise durch eine zwischen beiden Gebieten liegenden, von einer Schirmelektrode kontrollierten Halbleiterbereich realisieren.The height of the lowest of all these potential barriers for substrate carriers determines the position of the operating point. A potential barrier between the channel stopper region and the second doping zone can be realized, for example, by a semiconductor region controlled by a shield electrode between the two regions.

Für das Abgreifen des Signalspannungshubes von der zweiten Dotierungsione werden im Rahmen der Erfindung zwei Varianten diskutiert.For the tapping of the Signalspannungshubes of the second doping ions are discussed in the context of the invention, two variants.

In einer ersten Variante ist die zweite Dotierungszone mit dem Gate eines FET's verbunden. Dazu ist sie in einem Fenster des darüberliegenden Isolierfilmes mit einer Leitbahn sperrschichtfrei kontaktiert. Das Material der Leitbahn und die Eindringtiefe der zweiten Dotierungszone sind so gewählt, daß ein Durchlegieren der zweiten Dotierungszone im Bereich des Kontaktfensters vermieden wird. Insbesondere kann im Bereich dieses Kontaktfensters durch zusätzliches Einbringen von Dotanden des Substratleitungstypes zur besseren Kontaktierung eine wesentlich höher dotierte DoJerungszone vom Substratleitungstyp geschaffen werden, die jedoch nie so tief wie die erste Dotierungszone reichen darf, d. h. zum Substrat hin muß immer ein Bereich der ersten Dotierungszone übrig bleiben.In a first variant, the second doping zone is connected to the gate of a FET. For this purpose, it is contacted in a window of the overlying insulating film with a conductive path barrier-free. The material of the interconnect and the depth of penetration of the second doping zone are selected so that alloying through of the second doping zone in the region of the contact window is avoided. In particular, in the region of this contact window, by introducing dopant of the substrate line type for better contacting, a substantially higher doping doping zone of the substrate-line type can be created, which, however, must never be as deep as the first doping zone, d. H. towards the substrate always a portion of the first doping zone must remain.

In einer zweiten Variante ist die Halbleiteroberfläche vollständig mit einem Isolierfilm bedeckt. Auf diesem Isolierfilm ist eine Abfi'ihlelektrode angeordnet, die ihrerseits mit dem Gate eines FET's verbunden ist. Zwischen der Abfühlelektrode und der zweiten Dotierungszone besteht eine kapazitive Kopplung. Die Abfühlelektrode überlappt keinerlei taktende Elektrode, um jegliche kapazitive Einkopplung von Störungen zu vermeiden.In a second variant, the semiconductor surface is completely covered with an insulating film. On this insulating film, a Abfi'ihlelektrode is arranged, which in turn is connected to the gate of a FET. There is a capacitive coupling between the sensing electrode and the second doping zone. The sensing electrode does not overlap any clocking electrode to avoid any capacitive coupling of noise.

Im folgenden sei die Funktion des erfindungsgemäßen Ladungssensors erläutert.In the following, the function of the charge sensor according to the invention will be explained.

Zunächst sei das Verhalten ohne Signalladung beschrieben. In der ersten Dotierungszone befinden sich im Betriebsfall keine frei beweglichen Ladungsträger. Die Ladungsträgerextraktion geschieht beispielsweise durch das sich in Transportrichtung an den Ladungssensor anschließende CCD-Register. Es existieren wie bei BCCD-Zellen elektrische Felder, von den ionisierten Dotanden der ersten Dotierungszone sowohl zum Substrat als auch zur zweiten Dotierungszone hinreichend. Dadurch entsteht die spezielle Sensorpotentialmulde.First, the behavior without signal charge is described. In the first doping zone, there are no freely movable charge carriers during operation. The charge carrier extraction is done, for example, by the subsequent in the transport direction to the charge sensor CCD register. As with BCCD cells, there are electric fields sufficient of the ionized dopants of the first dopant zone to both the substrate and the second doping zone. This creates the special sensor potential well.

Diese Sensorpotentialmulde stellt gleichzeitig eine zwischen Substrat und zweiter Dotierungszone gelegene Potentialbarriere für Substratladungsträger dar. Befinden sich in der zweiten Dotierungszone überschüssige Substratladungsträger, so fließen diese ungehindert ab, solange keine Potentialstufen von der zweiten Dotierungszone zu den diese von Kanalstoppergebiot und Substrat trennenden Potentialbarriere bestehen. Dieser Abfluß bewirkt, daß sich das elektrische Feld zwischen erster und zweitter Dotierungszone verstärkt sowie zwischen erster Dotierungszone und Substrat schwächt. Damit ändert sich das Potential der zweiten Dotierungszone gegenüber dem Potential des Substrates. Selbst wenn das Potential der zweiten Dotierungszone den Wert der niedrigsten aller Potentialbarrieren erreicht hat, fließt weiterhin ein Diffusions.strom Idiff von Substratladungsträger an der entstehenden Potentialstufe über die Potentialbarriere hinweg ab. Dieser Diffusionüstrom schwächt sich jedoch bekannterweise exponentiell mit größer werdender Potentialstufe ab.This sensor potential well simultaneously represents a potential barrier for substrate carriers located between the substrate and the second doping zone. If there are excess substrate charge carriers in the second doping zone, they flow unhindered as long as there are no potential steps from the second doping zone to the potential barrier separating them from the channel stopper substrate. This effluent causes the electric field between the first and second doping zones to increase and weaken between the first doping zone and the substrate. This changes the potential of the second doping zone relative to the potential of the substrate. Even if the potential of the second doping zone has reached the value of the lowest of all potential barriers, a diffusion current Idiff of substrate carrier continues to flow across the potential barrier at the resulting potential stage. However, as is known, this diffusion current weakens exponentially with increasing potential level.

In den verarmten Halbleitergebieten des Ladungssensors werden ständig in Abhängigkeit von der Temperatur Elektronen-Loch-Paare generiert. Die Ladungsträger vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp fließen in die Sensorpotentialmulde. Die Ladungsträger vom Substratleitungstyp fließen, sofern sie in der zum Substrat gerichteten Feldzone generiert wurden, zum Substrat ab und sofern sie in der zur zweiten Dotierungszone gerichteten Feldzone generiert wurden, als Strom Ith in diese Dotierungszone hinein.In the depleted semiconductor regions of the charge sensor, electron-hole pairs are constantly generated as a function of the temperature. The charge carriers from the reverse to the substrate conductivity type flow into the sensor potential well. The substrate-carrier-type charge carriers, if generated in the field region directed to the substrate, flow to the substrate and, if generated in the field zone directed to the second doping zone, as current Ith into this doping zone.

Im Gleichgewichtszustand gilt Ith = Idiff. Das dazugehörige Potential der zweiten Dotierungszone entspricht bis auf die durch den Diffusionsstrom erzeugte Differenz dem Wert derjenigen Potentialbarriere, welche die niedrigste von allen die zweite Dotierungszone von Kanalstoppergebieten sowie Substrat trennenden Potentialbarrieren Ist. Dieser Potentialwert der zweiten Dotierungszone sei als Arbeitspunktpotential bezeichnet. Die zweite Dotierungszone wird durch die geschilderten Mechanismen auf diesem Potentialwert festgehalten, solange keine Signalladung eingespeist wird.In equilibrium, Ith = Idiff. The associated potential of the second doping zone corresponds, apart from the difference produced by the diffusion current, to the value of that potential barrier which is the lowest potential barrier separating all the second doping zone from channel stop regions and substrate. This potential value of the second doping zone should be referred to as operating point potential. The second doping zone is held by the described mechanisms at this potential value, as long as no signal charge is fed.

Erreicht die Signalladung (Ladungsträger vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp) die Sensorpotentialmulde, so verringert sich das elektrische Feld zwischen der ersten Dotierungszone und dem Substrat und damit auch die Potentialdifferenz zwischen dem Tiefstpunkt der Sensorpotentialmulde und dem Substrat. Bestünde von der zweiten Dotierungszone keinerlei kapazitive Kopplung zum Substrat, so würde sich die Potentialdifferenz zwischen Tiefstpunkt der Sensorpotentialmulde und zweiter Dotierungszone nicht ändern. Das heißt, die gesamte Potentialveränderung des Tiefstpunktes der Sensorpotentialmulde würde pis Signalspannungshub an der zweiten Dotierungszone zur Verfügung stehen. Der Signalspannungshub an der zweiten Dotierungszone ist jedoch im Realfall auf Grund der kapazitiven Belastung der zweiten Dotierungszone, hauptsächlich hervorgerufen durch das angekoppelte gate des FET, geringer.If the signal charge (charge carrier of the type of line reversed to the substrate) reaches the sensor potential well, the electric field between the first doping zone and the substrate and thus also the potential difference between the bottom of the sensor potential well and the substrate decreases. If there were no capacitive coupling to the substrate from the second doping zone, the potential difference between the lowest point of the sensor potential well and the second doping zone would not change. That is, the total potential change of the lowest point of the sensor potential well would be available pis Signalspannungshub at the second doping zone. However, the signal voltage swing at the second doping zone is lower in the real case due to the capacitive loading of the second doping zone, mainly caused by the coupled gate of the FET.

Das Potential der zweiten Dotierungszone ändert sich während der Ladungsdetektion gegenüber dem Arbeitspunktpotential in die Richtung, in der die Potentialstufen für Substratladungsträger zwischen zweiter Dotierungszone und Kanalstoppergebieten sowie Substrat größer werden. Ein Ladungsausgleich zwischen Kanalstoppergebieten bzw. Substrat und zweiter Dotierungszone kann in dieser Phase nicht erfolgen.The potential of the second doping zone changes during the charge detection with respect to the operating point potential in the direction in which the substrate charge carrier potential levels between the second doping zone and the channel stopper regions and the substrate become larger. Charge compensation between channel stopper regions or substrate and second doping zone can not take place in this phase.

Bei bekannten Ladungssensoren führt die während der Detektionsphase stattfindende thermische Generation zu einer Vergrößerung des Ladungspaketes und so mit fortschreitender Detektionszeit zu einer Verfälschung des Signales. Bei dem erfindungsgemäßen Ladungssensor ist vorteilhafterweise diese Verfälschung geringer. Die in die zweite Dotierungszone einströmenden thermisch generierten Substratladungsträger können aus dieser während der Detektionsphase nicht abfließen. Dadurch schwächt sich das elektrische Feld zwischen erster und zweiter Dotierungszone ab und die Potentialdifferenz zwischen dem Tiefstpunkt der Sensorpotentialmulde und dem nicht verarmten Teil der zweiten Dotierungszone verringert sich. Diese Verringerung wirkt der Verfälschung des Signalspannungshubes, der durch die in die Sensorpotentialmulde einströmenden thermisch generierten Ladungsträger vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp (unerwünscht) vergrößert wird, entgegen. Das Verhältnis des in der Verarmungszone von erster zu zweiter Dotierungszone thermisch generierten Stromes von Ladungsträger vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp zum gesamten in die Sensorpotentialmulde einfließenden Stromes von thermisch generierten Ladungsträger vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp bestimmt den Grad der Kompensation. Mit größer werdendem Verhältnis durchläuft man einen Punkt, in dem der Signalspannungshub trotz in die Sensorpotentialmulde einströmender thermisch generierter Ladungsträger über die gesamte Detektionsphase unverändert bleibt. Bei noch größerem Verhältnis träte eine Überkompensation ein, d. h., der Signalspannungshub würde sich mit fortschreitender Detektionszeit verkleinern.In known charge sensors, the thermal generation taking place during the detection phase leads to an increase in the charge packet and thus to a falsification of the signal as the detection time progresses. In the case of the charge sensor according to the invention, this distortion is advantageously lower. The thermally generated substrate charge carriers flowing into the second doping zone can not flow away from them during the detection phase. As a result, the electric field between the first and second doping zones weakens and the potential difference between the lowest point of the sensor potential well and the non-depleted portion of the second doping zone decreases. This reduction counteracts the distortion of the Signalspannungshubes, which is increased by the inflowing into the sensor potential well thermally generated charge carriers from the substrate to the reverse conductivity type (undesirable). The ratio of the charge carrier thermally generated in the depletion zone from the first to the second doping zone from the substrate reverse type to the total current of thermally generated carriers flowing into the sensor potential well from the substrate reverse type determines the degree of compensation. As the ratio increases, one passes through a point in which the signal voltage swing remains unchanged over the entire detection phase, despite the thermally generated charge carrier flowing into the sensor potential well. If the ratio was greater, overcompensation would occur, i. that is, the signal voltage swing would decrease as the detection time progresses.

Wird die Signalladung aus der Sensorpotentialmulde entfernt, so verstärkt sich wieder das elektrische Feld zwischen der ersten Dotierungszone und dem Substrat. Die entsprechende Potentialänderung überträgt sich auf die zweite Dotierungszone. Dadurch wird die Potentialstufe für Substratladungsträger von zweiter Dotierungszone zu der das Arbeitspunktpotential bestimmenden Potentialbarriere abgebaut. Die während der Detektionsphase eingeströmten Substratladungsträger, die wie bereits erwähnt, normalerweise in ihrer Gesamtmenge vernachlässigbar klein gegenüber der Signalladung sind, fließen nunmehr sehr schnell über das entsprechende Barrierengebiet ab. So stellt sich der Potentialwert der zweiten Dotierungszone jeweils vor Einspeisen einer neuen Signalladung selbständig auf das Arbeitspunktpotential ein.If the signal charge is removed from the sensor potential well, the electric field between the first doping zone and the substrate increases again. The corresponding potential change is transferred to the second doping zone. As a result, the potential level for substrate charge carriers from the second doping zone to the potential barrier defining the operating potential is reduced. The substrate charge carriers which have flowed in during the detection phase and which, as already mentioned, are normally negligible in their total quantity compared to the signal charge, now flow very rapidly over the corresponding barrier region. Thus, the potential value of the second doping zone independently adjusts itself to the operating point potential before feeding in a new signal charge.

Wie bereits mehrfach erwähnt, stellt sich mittels der niedrigsten aller die zweite Dotierungszone von Kanalstoppergebieten sowie Substrat trennenden Potentialbarrieren das Arbeitspunktpotential ein. Im folgenden werden verschiedene, in ihrer Höhe vorgebbare Potentialbarrieren vorgeschlagen.As already mentioned several times, the operating point potential is established by means of the lowest of all potential barriers separating the second doping zone from channel stop regions and substrate. In the following, various potential barriers which can be specified in terms of their height are proposed.

Erstens: Zwischen Kanalstoppergebiet und zweiter Dotierungszone ist ein nur die Substratdotierung enthaltender und von einer Schirmelektrode kontrollierter Halbleiterbereich angeordnet. Die an die Schirmelektrode angelegte Spannung wird so gewählt, daß im Bereich der Halbleiteroberfläche eine Verarmungszone für Substratladungsträger erzeugt wird. Der dabei entstehende Potentialverlauf stellt eine Barriere für Substratladungsträger dar. Die Höhe der Potentialbarriere wird durch die Größe der an der Schirmelektrode gelegten Spannung festgelegt.Firstly, a semiconductor region containing only the substrate doping and controlled by a shield electrode is arranged between the channel stopper region and the second doping zone. The voltage applied to the shield electrode is selected so that a depletion zone for substrate carriers is produced in the region of the semiconductor surface. The resulting potential curve represents a barrier for substrate charge carriers. The height of the potential barrier is determined by the size of the voltage applied to the shield electrode.

Zweitens: Zwischen Kanalstoppergebiet und zweiter Dotierungszone ist ein Halbleiterbereich mit einer Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp angeordnet, welcher von einer Schirmelektrode kontrolliert wird, fm Betriebsfall werden aus dieser Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp sämtliche freibeweglichen Ladungsträger abgesaugt. Es entsteht wie von BCCD-Registern her bekannt eine Potentialmulde. Das Dotierungsprofil dieser Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp ist jedoch so gewählt, daß die in ihr entstehende Potentialmulde deutlich flacher ist als die Sensorpotentialmulde. Die an der Schirmelektrode angelegte Spannung wird so gewählt, daß im Bereich der Halbleiteroberfläche die Potentialbarriere in gewünschter Höhe für Substratladungsträger realisiert ist. Drittens: Die zweite Dotierungszone überdeckt nicht nur die erste Dotierungszone, sondern außerdem noch ein flächenmäßig meist klein gehaltenes Gebiet mit einer dritten Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp, in der die Dotandendosis wesentlich geringer ist als in der ersten Dotierungszone. Die geometrische Positionierung dieses Gebietes im Ladungssensor ist dabei meist ohne Einfluß auf die Funktion. Es kann in der Mitte liegen, es kann genauso gut die Sensorpotentialmulde am Rand begrenzen.Secondly, between the channel stopper region and the second doping zone is disposed a semiconductor region having a doping zone from the substrate reverse type which is controlled by a shield electrode. In the case of operation, all the floating carriers are sucked out of this doping zone from the substrate reverse type. The result is a potential well known from BCCD registers. However, the doping profile of this doping zone from the conductivity type reversed to the substrate is chosen so that the potential well arising in it is significantly flatter than the sensor potential well. The voltage applied to the shield electrode is chosen such that the potential barrier in the desired height for substrate charge carriers is realized in the region of the semiconductor surface. Thirdly, the second doping zone not only covers the first doping zone, but also an area which is usually kept small in area, with a third doping zone of the conductivity type reversed to the substrate, in which the dopant dose is substantially lower than in the first doping zone. The geometric positioning of this area in the charge sensor is usually without influence on the function. It can be in the middle, it can just as well limit the sensor potential well at the edge.

In diesem Gebiet entsteht nach der Extraktion der freibeweglichen Ladungsträger vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp eine sehr flache Potentialmulde. Diese Potentialmulde trennt die zweite Dotierungszone vom Substrat und stellt für die Substratladungsträger eine Potentialbarriere dar. Bei dieser Barriere ist zu beachten, daß sich ihre Höhe in Abhängigkeit vom Potential der zweiten Dotierungszone ändert. Im Gleichgewichtszustand mit Ith = Idiff ist die Potentialstufe von zweiter Dotierungszone zu dieser Potentialbarriere hin fast abgebaut, während vom Substrat zu dieser Potentialbarriere hin eine deutliche Potentiaistufe besteht. Der Diffusionsstrom Idiff fließt über die Barriere direkt in das Substrat ab. Die Höhe der Potentialbarriere im Gleichgewichtszustand wird durch das Dotierungsprofil der dritten Dotierungszone festgelegt. Diese dritte Dotierungszone kann aus der ersten Dotierungszone entstehen, wenn beispielsweise zur sicheren Kontaktierung der zweitenIn this area, after the extraction of the floating charge carriers from the conductivity type reversed to the substrate, a very shallow potential well arises. This potential well separates the second doping zone from the substrate and represents a potential barrier for the substrate charge carriers. With this barrier, it should be noted that their height changes as a function of the potential of the second doping zone. In the equilibrium state with Ith = Idiff, the potential level from the second doping zone to this potential barrier is almost dissipated, while a clear potential stage exists from the substrate towards this potential barrier. The Idiff diffusion current flows via the barrier directly into the substrate. The height of the potential barrier in the equilibrium state is determined by the doping profile of the third doping zone. This third doping zone can arise from the first doping zone, if, for example, for secure contacting of the second

Dotierungszone im entsprechenden Kontaktfenster zusätzliche Dotanden vom Substratleitungstyp tiefer eingebracht und damit Teilmengen der Dotanden der ersten Dotierungszone in ihrer Wirkung kompensiert werden.Doping zone introduced in the corresponding contact window deeper dopants of substrate type substrate deeper and thus subsets of the dopants of the first doping zone are compensated in their effect.

Viertens: Die zweite Dotierungszone reicht bis an die Kante Gateoxid/Feldoxid heran. Die Kanalstoppergebiete unter dem Feldoxid diffundieren bekannterweise bei der Feldoxydation lateral in das Übergangsgebiet vom Feldoxid zum Gateoxid hinein. Dadurch wird im Übergangsgebiet ein Teil der Dotanden der ersten Dotierungszone kompensiert. Die restlichen verbleibenden elektrisch aktiven Dotanden der ersten Dotierungszone bewirken im Übergangsgebiet eine sehr flache Potentialmulde. Die Einstellung des Arbeitspunktpotentiales erfolgt dann wie unter „drittens". Die Höhe der Potentialbarriere wird durch die Dotierungsprofile und die spezielle geometrische Form des Überganges vom Feldoxid zum Gateoxid festgelegt.Fourth, the second doping zone extends to the gate oxide / field oxide edge. The channel stopper regions under the field oxide are known to laterally diffuse into the transition region from the field oxide to the gate oxide in the field oxidation. As a result, part of the dopants of the first doping zone is compensated in the transition region. The remaining remaining electrically active dopants of the first doping zone cause a very shallow potential well in the transition region. The adjustment of the operating point potential then takes place as in "third." The height of the potential barrier is determined by the doping profiles and the specific geometric shape of the transition from the field oxide to the gate oxide.

Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Ladungssensors liegt darin, daß die Einkopplung von Störsignalen auf ein Minimum reduziert wird. Es existiert keine Überlappung zwischen den Taktelektroden und der zweiten Dotierungszone. Eine Kopplung ist nur noch durch die Streukapazität zwischen den Kanten der selbstjustiert eingebrachten zweiten Dotierungszone und den Elektroden vorhanden. Diese Kopplung ist minimal. In der ersten Variante wird kein Resetimpuls benötigt, wodurch auch jegliche Störung durch diesen entfällt. Der „Grundpegel" der zweiten Dotierungszone stellt sich vor jedem Einlesen einer neuen Signalladung auf den vorbestimmten Wert ein. So gibt es auch keine langsamen Änderungen dieses Grundpegels, wie sie auftreten können wenn bei bekannten Ladungssensoren mit floating gate und Resettransistor das Rücksetzen in größeren Zeitabständen nach Detektion von Hunderten Signalladungen erfolgt. Der Störpegel im Ausgangssignal des erfii dungsgemäßen Ladungssensors ist fast ausschließlich durch die am bzw. im Substratvolumen erscheinenden Störimpulse gege nüber einem externen Massepol gegeben. Diese Störimpulse entstehen durch Bahnspannungsabfälle im Substratvolumen, vorwiegend dann, wenn, wie bei einer CCD-Zeile oder CCD-Matrix, beträchtliche elektrische Verschiebeströrrs:. durch das Substrat zum Massekontakt durch die Taktung großer Elektrodenflächen hervorgerufen werden. Diese Erscheinungen können minimiert werden, durch eine symmetrische Gestaltung der Taktspannungen und ein Abgleich der Flamken dieser Takte gegeneinander.The great advantage of the charge sensor according to the invention is that the coupling of interference signals is reduced to a minimum. There is no overlap between the clock electrodes and the second doping zone. A coupling is only present through the stray capacitance between the edges of the self-aligned introduced second doping zone and the electrodes. This coupling is minimal. In the first variant, no reset pulse is required, which eliminates any disturbance by this. The "base level" of the second doping zone adjusts itself to the predetermined value before each new signal charge is read in. Thus, there are no slow changes in this fundamental level, as may occur in the case of known charge sensors with a floating gate and reset transistor, which reset at larger time intervals The interference level in the output signal of the charge sensor according to the invention is almost exclusively given by the interference pulses appearing on or in the substrate volume via an external grounding pole These interference pulses are caused by web voltage drops in the substrate volume, predominantly when, as in a CCD Line or CCD matrix, considerable electrical displacement resistors: are caused by the substrate to ground contact by the timing of large electrode areas. These phenomena can be minimized by symmetrical shaping of the clock voltages and ei n Matching the flames of these bars against each other.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die Erfindung soll an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigenThe invention will be explained in more detail using exemplary embodiments with reference to drawings. In the drawings show

Fig. 1: einen erfindungsgemäßen Ladungssensor mit Abgriff des Signalspannungshubes gemäß der ersten Variante Fig. 2-4: verschiedene Möglichkeiten der Realisierung einer in ihrer Höhe vorgebbaren Potentialbarriere zur Einstellung des Arbeitspunktpotential1 shows a charge sensor according to the invention with tapping off of the signal voltage swing according to the first variant; FIGS. 2-4 show various possibilities for realizing a potential barrier which can be predetermined in terms of its height for setting the operating point potential

Fig. 5-6: schematische Verläufe von Valenzbandkanten im Ladungssensor Fig. 7-10: weitere erfindungsgemäße Ausführungsvarianten.Fig. 5-6: schematic curves of valence band edges in the charge sensor Fig. 7-10: further embodiments of the invention.

In den Ausführungsbeispielen wird von einem p-leitenden Sillziumsub itratmaterial 10 ausgegangen. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich auch mit η-leitenden Substraten oder anderen geeigneten Halbleitermaterialien realisierbar. Füi n-leitende Substrate sind die Leitfähigkeitstypen der einzelnen Dotierungszone ι entsprechend auszutauschen. Im Ausführungsbeispiel werden Gateelektroden aus dotiertem polykristallinem Silizium (Polysilizium) eingesetzt. Es sind jedoch auch andere geeignete Materialien verwendbar. Dec Gateisolator besteht aus einer Doppelschicht Oxid/Nitrid und kann bei Bedarf durch andere geeignete Materialien ersetzt sein.In the exemplary embodiments, a p-type silicon nitrate material 10 is assumed. Of course, the present invention can also be realized with η-conductive substrates or other suitable semiconductor materials. For n-conductive substrates, the conductivity types of the individual doping zone 1 are to be exchanged accordingly. In the exemplary embodiment, gate electrodes made of doped polycrystalline silicon (polysilicon) are used. However, other suitable materials are usable. Dec gate insulator consists of a double layer oxide / nitride and can be replaced by other suitable materials if required.

Fig. 1 a zeigt eine vereinfachte Layoutdarstellung eines erfindungsgemäßen Ladungssensors, eingefügt in ein bekanntes 1 Vz-Phasen-BCCD-Register und mit Abgriff des Signalspannungshubes gemäß der ersten Variante. In Fig. 1 b ist ein Schnitt entlang AA aus Fig. 1 a dargestellt. Fig. 1 c gibt das dazugehörige Potentialmodell wieder.1 a shows a simplified layout illustration of a charge sensor according to the invention, inserted in a known 1 Vz-phase BCCD register and with tapping off of the signal voltage swing according to the first variant. In Fig. 1 b, a section along AA of Fig. 1 a is shown. Fig. 1 c is the associated potential model again.

Die Elektroden 11,12,13,14 und 15,16,17,18 bilden mit dem von ihnen kontrollierten Halbleitergebieten (n-Dotierungszone zur Realisierung von Speichergebiet: 19,20,21,22; n-Dotierungszone zur Realisierung von Transfergebiet: 23,24,25,26) die Zeilen für ein η-Kanal BCCD-Register bekannter Bauart (Fig. 1 a, b). Der Bereich der Sensorpotentialmulde ist in Ladungstransportrichtung 27 durch die Elektroden 16 und 17 und in Richtung Kanalstoppergebiet 28,29 durch die Schirmelektroden 30 und 31 begrenzt. Die relativ tief liegende η-leitende erste Dotierungszone 32 und die flache p-leitende zweite Dotierungszone 33 sind selbstjustiert zu diesen Elektrodenkanten angeordnet, wobei die entsprechenden Dotanden vorzugsweise durch Implantation eingebracht werden. Das Abgreifen des Signalspannungshubes erfolgt in der Anordnung nach Fig. 1 gemäß der ersten Variante. In einem Kontaktfenster 34 ist die zweite Dotierungszone 33 sperrschichtfrei mit einer Leitbahn 35 kontaktiert und mit dem Gate 36 eines ersten zu einer Verstärker oder Impedanzwandlerstufe gehörenden Transistors verbunden.The electrodes 11, 12, 13, 14 and 15, 16, 17, 18 form, with the semiconductor regions controlled by them (n-doping zone for the realization of memory region: 19, 20, 21, 22; n-doping zone for the realization of transfer region: 23 , 24,25,26) the lines for a η-channel BCCD register of known type (Figure 1 a, b). The area of the sensor potential well is limited in the charge transport direction 27 by the electrodes 16 and 17 and in the direction of the channel stopper area 28, 29 by the shield electrodes 30 and 31. The relatively low-lying η-type first doping zone 32 and the flat p-type second doping zone 33 are arranged self-aligned to these electrode edges, wherein the corresponding dopants are preferably introduced by implantation. The tapping of Signalspannungshubes takes place in the arrangement of FIG. 1 according to the first variant. In a contact window 34, the second doping zone 33 is contacted barrier-free with a conductor track 35 and connected to the gate 36 of a first belonging to an amplifier or impedance converter stage transistor.

Zum Betrieb des BCCD-Registers sind die Gleichspannung DC1 und der Transporttakt Vt anzulegen. Die Schirmelektroden 30,31 führen die Gleichspannung DC2To operate the BCCD register, the DC voltage DC1 and the transport clock Vt must be applied. The shielding electrodes 30, 31 carry the DC voltage DC2

Des weiteren bedeuten: Furthermore, mean:

37 dicke Isolierschicht (z. B. Silox)37 thick insulating layer (eg Silox)

38 Gateisolator38 gate insulator

39 Isolierfilm zwischen Polysilizium 1 und 239 insulating film between polysilicon 1 and 2

40 Sourcegebiet40 source area

41 Draingebiet41 drainage area

42 Kontaktfenster42 contact window

43 Begrenzungslinien der aktiven Gebiete43 boundary lines of active areas

Fig. 1 c zeigt den zu Fig. 1 a, b gehörenden Verlauf der Potentialminima.FIG. 1 c shows the course of the potential minima belonging to FIG. 1 a, b.

Mit Vt « low ergeben sich die Potentialkurven 44 und 45, mit Vt = high die Potentialkurven 46 und 47. Im von Elektrode 16 kontrollierten Gebiet hat das Potentialminimum den Wert 48. In der leeren Sensorpotentialmulde hat das Potentialminimum nach erreichen des Arbeitspunktpotentials den Wert 50, für eine in ihrer Größe willkürlich angesetzte Signalladung den Wert 49, Die Figuren 2-4 zeigen jeweils einen Schnitt entlang BB aus Fig. 1 einschließlich des dazugehörigen Potentialmodells für verschiedene Möglichkeiten der Realisierung einer in ihrer Höhe vorgebbaren Potentialbarriere zur Einstellung des Arbeitspunktpotentials.With Vt «low, the potential curves 44 and 45 result, with Vt = high the potential curves 46 and 47. In the area controlled by electrode 16, the potential minimum has the value 48. In the empty sensor potential well, the potential minimum after reaching the operating point potential is 50, FIGS. 2-4 each show a section along BB of FIG. 1, including the associated potential model, for various possibilities of realizing a potential barrier which can be predetermined in terms of its height for setting the operating point potential.

In der Anwendung nach Fig. 2 a sind zwischen zweiter Dotierungszone 33 und der Dotierungszone 126 des Kanalstoppergebietes nur die Substratdotierung enthaltende Bereich angeordnet, welche von den Schirmelektroden 30,31 kontrolliert werden. Der dadurch in diesen Bereichen für Löcher realisierte Potentialverlauf 51 an der Halbleiteroberfläche stellt für die im Substrat befindlichen Löcher mit dem Potential 52 eine Potentialbarriere dar (Fig. 2 b). Linie 53 stellt das Arbeitspunktpotential der zweiten Dotierungszone 33 dar, 54 ist der an der zweiten Dotierungszone abgreifbare Signalspannungshub.In the application according to FIG. 2 a, between the second doping zone 33 and the doping zone 126 of the channel stopper region only the region containing the substrate doping are arranged, which are controlled by the shielding electrodes 30, 31. The potential profile 51 on the semiconductor surface which is thereby realized in these areas for holes represents a potential barrier for the holes with potential 52 located in the substrate (FIG. 2 b). Line 53 represents the operating point potential of the second doping zone 33, 54 is the signal voltage swing tapped off at the second doping zone.

In der Anordnung nach Fig. 3 a sind zwischen zweiter Dotierungszone 33 und Dotierungszone 126 des Kanalstoppergebietes die n-Dotierungszonen 55,56 angeordnet, welche von den Schirmelektroden 30,31 kontrolliert werden. Der dadurch in diesenIn the arrangement according to FIG. 3 a, between the second doping zone 33 and the doping zone 126 of the channel stopper region, the n-doping zones 55, 56 are arranged, which are controlled by the shielding electrodes 30, 31. The resulting in this

dem Potentialverlauf 52 eine Potentialbarriere dar (Fig.3b). Das Potentialminimum der Mulden unter den Schirmelektroden besitzt den Wert 58.the potential curve 52 is a potential barrier (Fig.3b). The potential minimum of the wells under the shield electrodes has the value 58.

Die Anordnung nach Fig.4 a unterscheidet sich von der nach Fig. 3a darin, daß zur sicheren Kontaktierung der zweiten Dotierungszone im entsprechenden Kontaktfenster zusätzliche p-Dotanden tiefer eingebracht sind. So entsteht die p-Dotierungszone 59 und die dritte Dotierungszone 62. Die Einstellung des Arbeitspunktpotentiales 53 kann wiederum wie bei Fig. 3b beschrieben erfolgen (siehe Fig.4b). Das Potentialminimum der Mulde im Bereich des Kontaktfensters hat ohne Signalladung den Wert 60 und mit Signalladung den Wert 61. Andererseits kann bei insbesondere tief reichender p-Dotierungszone 59 die Einstellung des Arbeitspunktpotential über die sehr flache Potentialmulde, welche sich im Bereich der dritten Dotierungszone 62 ausbildet, erfolgen (Fig.4c). Der dadurch für Löcher realisierte Potentialverlauf 63 im Bereich der dritten Dotierungszone 62 stellt für die im Substrat befindlichen Löcher mit dem Potential 52 eine Potentialbarriere dar. Mit Signalladung ändert sich der Potentialverlauf 63 des Signalspannungshubes auf den Potentialverlauf 64. In Fig. 5 und 6 sind schematisch die Verläufe der Valenzbandkanten in den einzelnen Halbleitergebieten des Ladungssensors für die Fälle mit und ohne Signalladung dargestellt. Dabei beziehen sich die einzelnen Kurven auf folgende Halbleiterbereiche:The arrangement according to FIG. 4a differs from that according to FIG. 3a in that additional p-dopants are introduced deeper for safe contacting of the second doping zone in the corresponding contact window. This produces the p-type doping zone 59 and the third doping zone 62. The adjustment of the operating point potential 53 can again be carried out as described in FIG. 3b (see FIG. 4b). The potential minimum of the well in the region of the contact window has the value 60 without signal charge and the value 61 with signal charge. On the other hand, in the case of particularly deep-reaching p-doping zone 59, the adjustment of the operating point potential via the very flat potential well, which forms in the region of the third doping zone 62 , take place (Fig.4c). The potential curve 63 implemented in the third doping zone 62 for holes thus represents a potential barrier for the holes 52 in the substrate. With signal charge, the potential curve 63 of the signal voltage swing changes to the potential curve 64. FIGS. 5 and 6 are schematic the courses of the valence band edges in the individual semiconductor regions of the charge sensor for the cases with and without signal charge shown. The individual curves refer to the following semiconductor ranges:

65 im Bereich von erster und zweiter Dotierungszone sowie Substrat, mit Signalladung65 in the region of the first and second doping zone and substrate, with signal charge

66 im Bereich von erster und zweiter Dotierungszone sowie Substrat, ohne Signalladung66 in the region of the first and second doping zone and substrate, without signal charge

67 im Substratbereich67 in the substrate area

68 im Bereich der n-Dotierungszone 55 und 56, siehe Fig.368 in the region of the n-doping zone 55 and 56, see Fig.3

69 im Bereich von p-Dotierungszone 59 und dritter Dotierungszone 62, mit Signalladung69 in the region of p-doping zone 59 and third doping zone 62, with signal charge

70 im Bereich von p-Dotierungszone 59 und dritter Dotierungszone 62, ohne Signalladung.70 in the region of p-doping zone 59 and third doping zone 62, without signal charge.

Weiterhin bedeuten:Furthermore, mean:

71 Gateisolator71 gate insulator

72 Eindringtiefe der zweiten Dotierungszone 3372 penetration depth of the second doping zone 33

73 Ausdehnung der ersten Dotierungszone 3273 Expansion of the first doping zone 32

74 Eindringtiefe der p-Dotierungszone 5974 Penetration depth of the p-type doping zone 59

75 Ausdehnung der dritten Dotierungszone 6275 extension of the third doping zone 62

76 Potentialabfall am Gateisolator mit darunter befindlicher Substratdotierung76 Potential drop at the gate insulator with underlying substrate doping

77 Potentialabfall am Gateisolator mit darunter befindlicher n-Dotierungszone 55 oder 5677 Potential drop at the gate insulator with underlying n-type doping zone 55 or 56

78 Potentialdifferenz auf Grund des Diffusionsstromes Idiff 54 Signalspannungshub78 Potential difference due to the diffusion current Idiff 54 Signal voltage swing

80 Flußrichtung des Löcherstromes zur Arbeitspunkteinstellung in einer Anordnung gemäß Fig. 280 flow direction of the hole flow for operating point adjustment in an arrangement according to FIG. 2

81 Flußrichtung des Löcherstromes zur Arbeitspunkteinstellung in einer Anordnung gemäß Fig.4a, c.81 flow direction of the hole flow for operating point adjustment in an arrangement according to 4a, c.

Zur Erläuterung der Einstellung des Arbeitspunktes sei auf die ausführliche Beschreibung im Abschnitt „Darlegung des Wesens der Erfindung" verwiesen.To explain the setting of the operating point, reference is made to the detailed description in the section "Explanation of the essence of the invention".

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ladungssensors. Fig. 7 a zeigt einen vereinfachten LayoutausschnittFig. 7 shows a further embodiment of a charge sensor according to the invention. Fig. 7 a shows a simplified layout section

Fig.7b zeigt einen Schnitt durch Fig.7a entlang CC Fig. 7c zeigt das dazugehörige Potentialmodell. FIG. 7b shows a section through FIG. 7a along CC. FIG. 7c shows the associated potential model.

Die Elektrode 90 mit dem von ihr kontrollierten Halbleitergebieten (n-Dotierungszone 91,101; Barrierendotierung 92,102) und die flache Kanalstopperschicht 93,94 mit den darunter liegenden n-Dotierungszonen 95,96,97 und 98 bilden die Zöllen für ein η-Kanal BCCD-Register bekannter Bauart mit gestuftem Gateisolator 116 (Fig. 7a, b).The electrode 90 with the semiconductor regions it controls (n-type doping zone 91, 101, barrier doping 92, 102) and the shallow channel stopper layer 93, 94 with the underlying n-type doping zones 95, 96, 97 and 98 form the duties for an η-channel BCCD register known type with stepped gate insulator 116 (Figure 7a, b).

Der Bereich der Sensorpotentialmulde (erste Dotierungszone 104, überdeckt von zweiter Dotierungszone 105), ist in Ladungstransportrichtung 99 durch das Transfergebiet 110 mit der n-Dotierungszone 112, welches von der zweiten Dotierungszone 105 kontrolliert wird, sowie durch die Elektrode 90 begrenzt. In Ladungstransportrichtung 99 erstreckt sich die erste Dotierungszone 104 vom Transfergebiet 100 bis zur nächstfolgenden Kante der Elektrode 90. Die flache p-leitende zweite Dotierungszone 105 ist selbstjustiert zu den Fensterkanten 106 der Elektrode 90 angeordnet. Das Abgreifen des Signalspannungshubes erfolgt in der Anordnung nach Fig. 7 wie bei Fig. 1 erläutert.The region of the sensor potential well (first doping zone 104, covered by second doping zone 105) is bounded in the charge transport direction 99 by the transfer region 110 with the n-doping zone 112, which is controlled by the second doping zone 105, and by the electrode 90. In the charge transport direction 99, the first doping zone 104 extends from the transfer area 100 to the next edge of the electrode 90. The flat p-type second doping zone 105 is arranged self-aligned to the window edges 106 of the electrode 90. The tapping of the signal voltage in the arrangement of FIG. 7 as explained in Fig. 1.

Fig. 7c zeigt den zu Fig. 7a, b gehörenden Verlauf der Potentialminima. Mit Vt = low ergeben sich die Potentialkurven 107 und 108, mit Vt = high die Potentialkurven 109 und 110. In der leeren Sensorpotentialmulde hat das Minimum nach Erreichen des Arbeitspunktpotentiales den Wert 111 und im Transfergebiet 100 den Wert 113. Für eine in ihrer Größe willkürlich angesetzte Signalladung verändert sich das Potentialminimum auf den Wert 114, dabei stellt sich im Transfergebiet 100 den Wert 115 ein. Fig. 7d zeigt einen Schnitt entlang der Linie EE' aus Fig.7a, in Fig.7e ist das dazugehörige Potentialmodell dargestellt. Wie aus Fig. 7e ersichtlich, ist ein direkter Ladungsfluß zwischen den Potentialmulden 117 und 118 durch die dazwischenliegende und in allen Betriebszuständen aufrechterhaltene Potentialbarriere 119 unterbunden. Die Realisierung dieser Potentialbarriere 119 bzw. die spezielle Aufeinanderfolge der Halbleitergebiete in Fig. 7 d erfolgt ohne zusätzliche technologische Schritte bei der Herstellung des bekannten Einphasen-CCD-Registers und ist eine Folge der erfindungsgemäß gewählten Form der Elektrode im Bereich des Ladungssensors.FIG. 7c shows the course of the potential minima belonging to FIG. 7a, b. With Vt = low the potential curves 107 and 108 result, with Vt = high the potential curves 109 and 110. In the empty sensor potential well, the minimum has the value 111 after reaching the operating point potential and the value 113 in the transfer region 100. For a size arbitrary When the signal charge is applied, the potential minimum changes to the value 114, and in the transfer region 100 the value 115 is established. FIG. 7d shows a section along the line EE 'from FIG. 7a; FIG. 7e shows the associated potential model. As can be seen from FIG. 7 e, a direct charge flow between the potential wells 117 and 118 is prevented by the potential barrier 119, which is located therebetween and maintained in all operating states. The realization of this potential barrier 119 or the special sequence of the semiconductor regions in FIG. 7d takes place without additional technological steps in the production of the known single-phase CCD register and is a consequence of the shape of the electrode selected according to the invention in the region of the charge sensor.

In Fig.8a ist der Schnitt entlang DD' aus Fig. 7a dargestellt. Zwischen der Dotierungszone 126 des Kanalstoppergebietes und der Sensorpotentialmulde sind ein von der Elektrode 90 kontrollierter Halbleiterbereich mit den Dotierungen 101,102 sowie die von der zweiten Dotierungszone 105 überdeckte dritte Dotierungszone 103 angeordnet. Fig. 8b zeigt das zu Fig. 8 a dazugehörige Potentialmodell. Dabei ist mit 120 das Potentialminima der sehr flachen, sich in der dritten Dotierungszone ausbildenden Potentialmulde bei leerer Sensorpotentialmulde bezeichnet. Über dieses Minimum stellt sich das Arbeitspunktpotential 53 der zweiten Dotierungszone ein. Mit eingespeister Signalladung (Signalspannungshub E4) ändert sich der Potentialverlauf innerhalb der dritten Dotierungszone, den entsprechenden Minimalwert zeigt Potentialkurve 121. Der Potentialverlauf in der dritten Dotierungszone bildet in beiden Betriebsfällen eine ausreichend hohe Potentialbarriere zwischen der Sensorpotentialmulde und den im Bereich des Schnittes EE' (Fig.7) befindlichen Potentialmulden.FIG. 8a shows the section along DD 'from FIG. 7a. Between the doping zone 126 of the channel stopper region and the sensor potential well, a semiconductor region controlled by the electrode 90 with the dopants 101, 102 and the third doping zone 103 covered by the second doping zone 105 are arranged. FIG. 8b shows the potential model associated with FIG. 8a. 120 denotes the potential minima of the very shallow potential well forming in the third doping zone when the sensor potential well is empty. Above this minimum, the operating point potential 53 of the second doping zone adjusts itself. With fed signal charge (Signalspannungshub E4), the potential curve changes within the third doping zone, the corresponding minimum value shows potential curve 121. The potential curve in the third doping zone forms a sufficiently high potential barrier between the sensor potential well and in the region of the section EE 'in both operating cases (Fig .7) potential wells.

Fig. 9a zeigt eine vereinfachte Layoutdarstellung eines erfindungsgemäßen Ladungssensors mit Abgriff des Signalspannungshubes gemäß der zweiten Variante, eingefügt in das bereits aus Fig. 1 bekannte 1 '/2-Phasenregister. Fig. 9b zeigt einen Schnitt entlang FF'. Zur besseren Anschaulichkeit ist als Fig.9c noch einmal das bereits als Fig. 1 c bekannte Potentialmodell dargestellt, welches auch für Fig.9a, b gilt. Im Siliziumoxidfilm 37 ist die Fensteröffnung 122 angeordnet. Der Gateisolator besteht aus zwei Schichten, dem Si O Film 124 und dem Si N Film 125. Dadurch ist bei der Präparation der Fensteröffnung 122 ein sicherer Ätzstopp auf dem Si N Film 125 gewährleistet. Die Abfühlelektrode 123 ist so über den Gateisolator kapazitiv mit der zweiten Dotierungszone 33 gekoppelt. Wie In Fig. 9a, b gezeigt, überlappt die Abfühlelektrode nur die mit einer Gleichspannung gespeisten Schirmelektroden 30 und 31. So werden direkt keine Taktstörungen in die Abfühlelektrode 123 eingekoppelt. Zur Erklärung des Gesamtaufbaues der Anordnung nach Fig. 9 gilt ansonsten das bei Fig. 1 gesagte.9a shows a simplified layout illustration of a charge sensor according to the invention with pick-off of the signal voltage swing according to the second variant, inserted into the 1 '/ 2-phase register already known from FIG. Fig. 9b shows a section along FF '. For better clarity, the potential model already known as FIG. 1c is again shown as FIG. 9c, which also applies to FIG. 9a, b. In the silicon oxide film 37, the window opening 122 is arranged. The gate insulator consists of two layers, the Si O film 124 and the Si N film 125. This ensures a secure etch stop on the Si N film 125 during the preparation of the window opening 122. The sensing electrode 123 is thus capacitively coupled to the second doping zone 33 via the gate insulator. As shown in Figs. 9a, b, the sensing electrode only overlaps the DC biased shielding electrodes 30 and 31. Thus, no clock noise is directly coupled into the sensing electrode 123. To explain the overall structure of the arrangement of FIG. 9 otherwise applies that in Fig. 1 said.

Fig. 10a zeigt den Schnitt entlang GG' und Fig. 9a. Zur besseren Anschaulichkeit ist als Fig. 10b noch einmal das bereits als Fig. 3 b bekannte Potentialmodell dargestellt. Zur Erklärung gilt das bei Fig.3a, b gesagte.Fig. 10a shows the section along GG 'and Fig. 9a. For better clarity, the potential model already known as FIG. 3 b is again shown as FIG. 10 b. To explain this, the statements made in Fig. 3a, b apply.

Claims

A charge sensor without a reset pulse for semiconductor devices, in which the charge to be detected is located in a semiconductor well buried in the semiconductor, characterized in that a deeply introduced first doping zone is covered by the substrate reverse type of conduction from a flat second doping zone of the Suostratleitstyp, wherein the second Doping zone in all operating conditions of the L / sungsdorsors never completely depleted on beweghehen charge carriers
and at the second doping zone the Signalspannungshub is available and that
Potential barriers are arranged such that a flow of charge carriers of the
Substrate conduction type of channel stopper regions or from the substrate to the second
Doping zone is suppressed, wherein the height of the lowest of these potential barriers is selected according to the desired operating point potential of the second doping zone.

2. A charge sensor according to claim 1, characterized in that the second doping zone is electrically conductively connected to the gate of a FET.

3. A charge sensor according to claim 1, characterized in that on the with an insulating film
covered semiconductor surface, a sensing electrode is arranged, which no clocking
Electrodes overlap, and wherein between the sensing electrode and the second doping zone a
capacitive coupling exists.

4. A charge sensor according to claim 1 or 2 or 3, characterized in that between
Kanalstoppergebiet and second doping zone containing only the substrate doping and
is arranged by a shield electrode controlled semiconductor region.

5. A charge sensor according to claim 1 or 2 or 3, characterized in that between
Kanalstoppergebiet and second doping zone a doping zone from the substrate
reversed conductivity type and controlled by a screen electrode
Semiconductor region is arranged.

6. A charge sensor according to claim 1 or 2 or 3 or 4 or 5, characterized in that the
second doping zone except the region of the first doping zone also covers an area with only a third doping zone of the substrate reverse type of conductivity, wherein the
Dotandendosis in the third doping zone is much lower than in the first
Doping zone.

7. Ladnngssensor according to claim 1 or 2 or 3 or 4 or 5 or 6, characterized in that the second doping zone extends to the edge gate oxide / field oxide and is separated there from the located under the field oxide Kanalstoppergebiet by intervening Dotandon the first doping zone ,