DE2329570A1

DE2329570A1 - Ladungsgekoppelte vorrichtung

Info

Publication number: DE2329570A1
Application number: DE2329570A
Authority: DE
Inventors: Robert Harold Krambeck; George Elwood Smith; Robert Joseph Strain
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-06-14
Filing date: 1973-06-09
Publication date: 1974-01-03
Also published as: FR2188240A1; CH552871A; ES416011A1; US3906542A; NL164157C; IT986455B; GB1415436A; JPS5234348B2; NL164157B; IL42476A0; NL7308043A; BE799437A; JPS4964383A; CA977462A; DE2329570B2; FR2188240B1

Description

Western Electric Company, Inc. Krarnbor.l- 10--P8-8 New York, N.Y., V.St.A. Wiesbaden, de.n

Ladungsgekoppelte Vor rich tune}

Die Erfindung betrifft eine ladungsgekoppelte Vorrichtung mit einem Speichermedium, das eine Hauptfläche aufweist, über der eine Isolierschicht liegt, ferner mit mehreren Elektroden, die aufeinanderfolgend derart auf der Schicht angeordnet sind, döß ein Weg in einer vorgegebenen Richtung gebildet ist, und mit Mitteln sum Induzieren von asymmetrischen Minima potentieller Energie solcher variablen Größe im Speichermedium, daß Ladungsträger einer die Information im Speichermedium darstellenden ersten Polarität speicherbar und übertragbar sind.

Bekanntlich beruht die Funktionsweise !ladungsgekoppelter Vorrichtungen auf einer Speicherung von beweglichen Ladungsträgern, weiche eine Information an induzierten, lokalisierten Minime potentieller Energie in einem geeigneten Speichermedium darstellen, und auf einer Übertragung dieser beweglichen Ladungsträger innerhalb des Speichermediunis hintereinander durch aufeinanderfolgende Miniina .

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In typischer Avis führung werden diese Minima durch Spannungen induziert und gesteuert, welche an über dem Speichermedium angeordnete und von diesem isolierte Feldplattenelektroden angelegt werden. Die Elektroden sind hintereinander angeordnet und bilden einen Ladungsspeicher- und Übertragungsweg (üblicher Weise als "Informationskanal" oder nur als "Kanal"bezeichnet).

Ein bereits früher festgestelltes Problem in J_adungsgekoppelten Vorrichtungen (CCD's) besteht im Steuern und Erleichtern der Übertragung der beweglichen Ladungsträgermengen über die Teile des Speichermediums, die unter den Räumen zwischen aufeinanderfolgenden Elektroden liegen. Diese Räume bilden nicht'nur deshalb ein Problem, weil das elektrische Feld in ihnen nicht ohne weiteres gesteuert werden kann, sondern auch wegen eines Eindringens von ionisierter Ladung in diese Räume, die die Ladungsübertragung sehr schädlich beeinflussen können. Es wurden viele Anstrengungen unternommen, um diese Probleme auszuräumen.

Eine naheliegende Möglichkeit, diese Probleme anzugehen, besteht in dter Minimalisierung der Größe der Zwischenräume. Die Verringerung der Zwischenräume auf ein geeignetes Haß ist jedoch

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nur mit Hilfe komplexer Technologien (z.B. Mehrniveaumetallisierung) oder bei Einführung übermäßig genauer Toleranzen bei der Elektrodenformierung möglich.

Einige Techniken suchten das Problem dadurch anzugehen, daß begrenzte, gut kontrollierbare Mengen einer unbeweglichen Ladung im Isolator unter den Räumen bzw. Zwischenräumen und/oder im Speichermedium unter den Zwischenräumen vorgesehen wurden. Nach einer Methode wird eine unbewegliche Ladung solcher Größe verwendet, die die Dichte der beweglichen Ladungsträger am Ende einer Übertragungsperiode zu einer im Raum zwischen den Elektroden in der für die Ladungsübertragung vorgesehenen Richtung monoton ansteigenden Funktion macht, die jedoch genügend klein bemessen ist, damit das Speichermedium zwischen den Elektroden an beweglichen Ladungsträgern verarmt, wenn Betriebsspannungen angelegt sind und keine Signalladung in den Kanal eingeführt wird.

Eine andere Methode verwendet abgestufte und gleichmäßige Dichten von unbeweglicher Ladung unterhalb der Räume zwischen den Elektroden, um eine feldverstärkende Ladungsübertragung durch diese Zonen zu erreichen und

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in einigen Fällen diesen Zonen auch die Funktion als Speicherplätze zuzuordnen. Bei allen zuvor erläuterten Methoden wurde es jedoch für wesentlich gehalten, daß die verwendete Menge an unbeweglicher Ladung genügend klein gehalten wird, um die Zonen der unbeweglichen Ladung vollständig von beweglichen Ladungsträgern freizuhalten, wenn bei fehlender Signalladung Betriebsspannungen angelegt werden.

Ausgehend von einer ladungsgekoppelten Vorrichtung der eingangs angegebenen Art wird das vorgenannte Problem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Speichermedium längs des Weges und symmetrisch bezüglich dem Raum zwischen aufeinanderfolgenden Elektroden getrennte erste lokalisierte Zonen angeordnet sind, die bei Nicht—Anliegen der Induktionsmittel bewegliche Ladungsträger der ersten Polarität enthalten, wobei die Konzentration von beweglichen Ladungsträgern der ersten Polarität in jeder der Zonen genügend groß bemessen ist, um eine vollständige Verarmung bei angelegten Induktionsmitteln zu vermeiden.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Bereiche unter den Elektroden-Zwischenräumen bei einigen Arten von ladungsgekoppelten Vorrichtungen

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entartet dotiert sind, um größere Mengen beweglicher Ladungsträger zu erzeugen, so daß diese Bereiche im wesentlichen als elektrische Kurzscblußstrecken erscheinen, d.h. hcchleitend sind, urn eine übertragung von Signalladung zu erleichtern und damit die Empfindlichkeit gegenüber ungewollt absorbierter Ober flächenl.e dung zu verringern.

Bin Merkmal der Erfindung ist derEinbau von starkdotierten lokalisierten Zonen in den unter den Elektroden-Zwischenräumen gelegenen Bereichen des Speichermediums, wobei die starkdotierten lokalisierten Zonen bewegliche* Ladungsträger derselben Polarität wie oli e Signalladung in ausreichender Menge haben, um eine vollständige Verarmung selbst bei Fehlen von Signalladung zu vermeiden, wenn Betriebsspannungen anliegen.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die vorgenannten starkdotierten Zonen in Kombination mit geringer dotierten Zonen verwendet, die mobile Ladungsträger der entgegengesetzten Polarität (d.h. eine unbewegliche Ladung derselben Polarität) haben, wobei die geringer dotierten Zonen in äen Potentialsenken eine Asymmetrie hervorrufen, die zur Gewährleistung einer Ladungsübertragung in einer Richtung ausgenutzt werden kann. Bei dieser Ausführungsform

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ist die Herstellung erleichtert, da sich die starkdotierten Zonen und die geringer dotierten Zonen schneidenkönnen, wodurch eine Verringerung der Herstellungstoleranzen und der Vorrichtungs- Endgröße erreicht wird; und außerdem wird die Arbeitsweise verbessert, da ein Bereich der Dotierstoffkonzentration von vielen Größenordnungen zur Verfugung steht, um die Betriebscharakteristiken einzustellen .

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittansicht durch einen Abschnitt des Informationskanals einer ladungsgekoppelten Vorrichtung, wie er nach einem erfiridungsgemäß vorgesehenen Zwischerisdiritt entsteht;

Fig. 2 eine Querschnittansicht der Anordnung nach Fig. 1 nach Beendigung eines weiteren Herstellungsschrittes gemäß der Erfindung; und

Fig. 3 ein Schaubild, das typische Oberflächenpotentiale der Anordnung gemäß Fig. 2 bei Anliegen typischer Betriebsspannungen darstellt.

In Fig. 1 ist eine Querschnittansicht längs eines Abschnitts 11 des Informationskanals einer ladungsgekoppeiten Vorrichtung gezeigt, die sich nach einem Herstellungs-Zwischenschritt ergibt. Der Abschnitt umfaßt ein Speichermedium 12, dessen Hauptteil aus N~"-leitendem Halbleitermaterial, z.B. aus Phosphor-

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dotiertem Silizium mit einer Dotierstoffkonzentration von etwa 10 bis 10 Donatoren pro Kubikzentimeter besteht. Über dem Speichermedium 12 ist eine dünne Isolierschicht 13 aus Siliziumoxid von einer Stärke von etwa 1000 S niedergeschlagen. Über der Schicht 13 sind in herkömmlicher Weise in gegenseitigem Abstand mehrere lokalisierte Elektroden 14χ, 15x und 14y angeordnet, welche Feldplattenelektroden bilden, über die für den Betrieb der ladungsgekoppelten Vorrichtung geeignete Spannungen angelegt werden können. Zur Festlegung der"Terminologie sei angenommen, daß mobile Ladungsträger, welche die Signalinformation darstellen, in der Zeichnung nach rechts übertragen werden sollen. Sinnvoller Weise wird daher der am weitesten rechts gelegene Teil jeder Elektrode als "Vorderteil" dieser Elektrode und demgemäß■der am weitesten links gelegene Teil als "rückwärtiger Teil" in Bezug auf die gewünschte Vorschubrichtung der Information bezeichnet.

Unter Berücksichtigung dieser Bezeichnungen ist zu sehen, daß der Abschnitt 11 in Fig. 1 zusätzlich eine Vielzahl von stärker dotierten N-leitenden Zonen 16x, 17x und 16 y aufweist, die einzeln unter dem rückwärtigen Rand der Elektroden 14x, 15x bzw. 14y angeordnet sind. Die Zonen 16 und 17 dienen zur Erzeugung von Potentialsperren unter den Elektroden, mit deren Hilfe die erforderliche

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Asymmetrie zur Ladungsübertragung in einer Richtung in Abhängigkeit von Betriebsspannungen hervorgerufen wird. Die Bemessung der relativen Dotierung und der vertikalen Erstreckung der Zonen 16 und 17 in Bezug auf die anderen Bereiche der Oberfläche ist bekannt- Da die Zonen 16 und 17 in typischer Ausführung flach sind und eine gut einstellbare Konzentration besitzen, werden sie vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, durch Ioneneinpflanzung gebildet.

In Abweichung von bekannten Methoden sind die Zonen 16 und 17 bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung jedoch vorzugsweise in der dargestellten Weise unter dem rückwärtigen Rand der ihnen zugeordneten Elektroden zentriert; und die Breite der Zonen 16 und 17 ist größer bemessen als die für die Lage des rückwärtigen Randes der Elektroden 14 und 15 zulässige Toleranz, so daß der rückwärtige Rand jeder Elektrode stets direkt über dem gleichen Teil der zugehörigen Unterzone 16 oder 17 zu liegen kommt.

Da die Breite des von einer Elektrode überlappten Bereichs der Zone 16 bzw. 17 die Breite der Potentialsperrschicht bestimmt und die Breite der Potentialsperrschicht zur Erzielung eines optimalen Betriebs nicht zu gering sein sollte, sollte die Breite der Zonen 16 und 17 gleich der obengenannten Toleranz plus einer Minimal-

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Sperrschichtbreite sein. Die Struktur kann so konzipiert sein, daß dJe Sollage des rückwärtigen Randes der Elektrode gegenüber dem Zentrum der Zone um eine Minimal sperrschichtbreite nach links verschoben ist. In der Praxis hat sich bei einem mcssiven Teil 12

14 3

von etwa 5x10 Donatoren/cm und einer Dicke der Schicht 13 von 1000 X eine Minimal sperrschichtbreite von etwa 2,5 Mikrometer als möglich erwiesen.

Obwohl die gegenüber dem Zentrum versetzte Anordnung eine Minimalgröße der Zonen 16 und 17 möglich macht, ist diese Minimalgröße gewöhnlich nicht von besonderer Bedeutung, da das Ausmaß des Eindringens dieser Zonen in den Raum zwischen den Elektroden praktisch bedeutungslos ist (oder bedeutungslos gemacht werden kann), vorausgesetzt natürlich, daß nicht der gesamte Zwischenraum überbrückt wird. Es kann daher unter Umständen wünschenswert can, di·^ Breite der Zonen 16 und Ί7 gleich der eben erwähnten.Toleranz plus der zweifachen Minimal sperrschichtbreite zu machen und dabei die Sollage des rückwärtigen Randes der Elektrode über den Zonen 16 bzw. 17 zu zentrieren.

In Fig. 2 ist eine Schnittansicht durch die in Fig. dargestellte Struktur nach einem weiteren Herstellungsschritt gezeigt. Zur Erläuterung der Änderungen gegenüber

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Fig.l ist die Gesamtstruktür bzw. -anordnung in Fig. mit dem Bezugszeichen 11' bezeichnet.

Um von dem Abschnitt 11 gemäß Fig. 1 zum Abschnitt 11' gemäß Fig. 2 zu kommen, wird eine relativ große Dosis von P-leitenden Dotierstofiä"i zunächst gleichmäßig eingeführt, z.B. durch Ioneneinpflanzung und/oder Diffusion in nur diejenigen Teile des Speichermediums 12, die unter den Räumen zwischen den Elektroden 14 und 15 gelegen sind, wobei P -leitende Zonen I8x, 19x, 18y und 19y (im folgenden mitunter als Zonen 18 und 19 bezeichnet) und P-leitende Zonen 20x, 2Ix und 20y (im folgenden mitunter als Zonen 20 und 21 bezeichnet) gebildet werden. Die relativen Konzentrationen undin einigen Fällen die absoluten Konzentrationen des Speicherrrediums 12 und der Zonen 16 bis 21 sind von wesentlicher Bedeutung und werden nachfolgend genauer erläutert. An dieser Stelle genügt es jedoch, darauf hinzuweisen, daß trotz einer gleichmäßigen Dosierung von P-leitenden Dotierstoffen bei deren Einführung durch die Zwischenräume die Zonen 20 und 21 weniger stark P-dotiert als die Zonen 18 und 19 sind, da ein Kompensationseffekt der zuvor in diese Zonen eingeführten N-leitenden Dotierstoffe (Teile der Zonen 16 und 17) auftritt.

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ORlGlMAL INSPECTED

Vor oder nach der Einführung der P-Ieilenden Dotierstoffe werden in herkömmlicher Weise Maßnahmen getroffen, um die Betriebsspannungen, z.B. -V. und -V„ über Taktleitungen 22 und 23 an die Elektroden 14 und 15 anzulegen. Nach dem Einbringen der P-leitenden Dotierstoffe wird die Gesamtstruktur bzw. der gesamte Schichtkörper vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Schicht 24, z.B. aus Phosphorglas, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder Siliziumoxid überzogen, wobei die Schicht gegen Verunreinigungen, z.B. Natriumionen, so undurchdringlich wie möglich gemacht wird.

Bevor die Details der in Fig. 2 dargestellten Struktur beschrieben werden, sollte zur Erleichterung des Verständisses der Erfindung zunächst auf das Schaubild gemäß Fig. 3 eingegangen werden, das die relativen Oberlfächenpotentiale darstellt, die in vorteilhafter Weise in der Struktur gemäß Fig. 2 durch geeignetes Zusammenwirken der Betriebsspannungen und der Dotierstoffkonzentrationen des Speichermediums hervorgerufen werden.

ühFig. 3 ist die Größe des Oberflächenpotentials S als nach unten zunehmend dargestellt; S hat eine solche Polarität, daß die Anziehungskraft für bewegliche Ladungsträger der als Signalladung vorgesehenen Art

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mit zunehmender Größe von S anwächst. Eine Struktur der in Fig. 2 dargestellten Art wird in der Regel in einer Betriebsweise betrieben, welche gewöhnlich als P-channel enhancement "Modus" bezeichnet wird, was bedeutet, daß die Signalladungsträger Löcher sind und die angelegten Spannungen V₁ und V^ und die Oberflächenpotentiale S bezüglich des Speichermediums 12 negativ sind.

Bei dem Oberflächenpotential-Schaubild gemäß Fig. 3 ist angenommen, daß zwei negative Taktspannungen V₁ und V„ an Taktleitungswege 22 bzw. 23 in Fig. 2 angelegt sind und daß der· Betrag von V₁ größer als der Betrag von V_? ist. Der in ausgezogenen Linien dargestellte Teil des Schaubilds zeigt das Oberflächenpotential, welches sich bei Fehlen einrr beweglichen Signalladung ergibt; aus den nachfolgend klargestellten Gründe! zeigt der mit unterbrochenen Linien dargestellte Teil das Oberflächenpotential, das zum vollständigen Abziehen von beweglichen Ladungsträgern aus den P -leitenden Zonen 18 und 19 und den P-leitenden Zonen 20 und 21 benötigt würde.

Wie zu sehen ist, verläuft der mit ^ausgezogenen Linien dargestellte Kurvenabschnitt räumlich periodisch mit einer Zwei-Elektroden-Periodizität, z.B. vom vorderen Rand einer Elektrode (14x) bis zum vorderen

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ORIGINAL INSPECTED

Rand der übernächsten Elektrode (14y), was der typischen Periodizität für eine zweiphasige ladungsgi-koppel te Vorrichtung entspricht. Jede räumliche Periode ist natürlich das, was gewöhnlich in der Technik als "Bitlänge" bezeichnet wird. Zum Zwecke der Erläuterung sind verschiedene maßgebliche Abschnitte der ausgezogenen Kurve, die verschiedenen maßgeblichen Abschnitten des Speichermediums entsprechen, mit S. - S_ß bzeichnet. Wie zu sehen ist, entsprechen in jeder Bitlänge S. den Zonen 16; S„ den Räumen bzw. Abständen zwischen den Zonen 16 und 19, S., den Zonen 19, S₄ den Zonen 21, S₅ den Zonen 17, S_ß den Räumen zwischen den Zonen 17 und 18, S₇ den Zonen 18 und S den Zonen 20.

Im Betrieb bilden die Potentialbereiche S^-S. zusammen eine Hälfte der Bitlänge und die Potentielbereiche S,- bis 5_ß die andere Hälfte der Bitlänge. Boi den 1"akt-3p_annung_en ^_n ^_er ^_n pig. 3 gezeigten Iinlbperiode (|V,.|>I V»|) ziehen die rechten Halbbits (S_t- S_ß) die Signalladungen (Löcher) stärker an und wirken daher als Speicherbits. In der anderen Hälfte dor Taktperiode (lvJ>|vJ) sind die linken Holbbits (S. - S-) stärker anziehend und wirken dabei als Speicherplätze. Selbstverständlich wird bei jeder Änderung der Taktspannungen die Signalladung um

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1/2 Bit nach rechts in den Fig. 2 und 3 übertragen.

Wie oben erwähnt , besteht die Hauptbetriebsfunktion der P -leitenden Zonen 18 und 19 und der P—leitenden Zonen 20 und 21 darin, im v/es entlichen elektrische Kurzschlußwege über die Zwischenräume zwischen den Elektroden zur Erleichterung der Signalladungsübertragung durch diese Zwischenräume zu schaffen. Aus diesem Grunde können erfindungsgemäß aufgebaute ladungsgekoppelte Vorrichtungen als "leitend Verbundene ladungsgekoppelte Vorrichtungen" bezeichnet werden. Ferner besteht aus diesem Grunde eine wesentliche erste Mindestanforderung an "die Struktur gemäß Fig. 2 darin, daß die Konzentration der P—leitenden Dotierstoffe bzw. Störstellen in den Zonen 18 bis 20 genügend groß bemessen ist, damit Teile dieser Zonen an beweglichen Ladungsträgern (Löchern) verarmen können, wenn die gewünschten Betriebsspannungen angelegt sind. Da die Zonen 18 und 19 stärker P-leitend als die Zonen 20 und 21 sind, müssen ar Erfüllung dieser ersten Forderung nur die Zonen 20 und 21 beachtet werden.

Die effektive P-leitende Konzentration der Zonen 20 und 21 ist jedoch nicht eine unmittelbar bekannte Größe. Vielmehr bestimmt sie sich durch Subtraktion der bekannten N-leitenden Konzentration in den Zonen

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16 und 17 von der bekannten P-leitenden Konzentration in den Zonen 18 und 19. Demgemäß bedarf es einer »Diskussion der typischen Konzentrationen in den Zonen 16 und 17.

Die Funktion der Zonen 16 und 17 besteht darin, eine Asymmetrie der Potentialsenke unter den zugehörigen Elektroden, d.h. eine Potentialsperrschicht, zur Verhinderung eines Signalladungs f lusses nach links in Fig. 2 zu schaffen. Die ideale SperrSchichthöhe ist etwa gleich oder größer als die Spitzenänderung des Oberflächenpotentials bei angelegten Betriebstaktspannungen. In Fig. 3 ist die mit S_Dbe.zeichnete Differenz zwischen den Potentialen S. und S_ und die Differenz zwischen den Potentialen S,- und S,. die Sperrschicrthöhe; wie zu sehen ist, ist S in der Zeichnung etwa gleich der Spitzenänderung des Oberflächenpotentials.

Nimmt man an, daß die gesamte unbewegliche Ladung . in den Zonenl6 und 17 an der Oberfläche (Grenzfläche zwischen Speichermedium 12 und der Isolierschicht 13) liegt, und daß die Zonen 16 und 17 vollständig frei von beweglichen Ladungsträgern sind, so ergibt sich die Sperrschichthöhe in erster Annäherung durch den Ausdruck: Q_n d.

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wobei:

Q_R die unbewegliche Sperrschichtladung in Coulomb pro Quadratzentimeter,

d. die Isolationsschichtdicke in Zentimeter und £, die Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht in Farad pro Zentimeter ist.

In typischer Ausführung ist die Isolierschicht 13 aus

12 Siliziumoxid mit C = 0,35 χ 10 Farad cm und mit d.

etwa 10 ^J cm (10 A). Dann ergibt eine für die Herstellung zweckmäßige Sperrschichtladung von etwa 1,5 χ

12 2 —7

10 Donatoren/cm ein Q von etwa 2,4 χ 10 Coulomb/cm"

Jd

und ein S_R von etwa 7 Volt. Obwohl, wie die nachfolgende Erörterung, zeigt, die vorstehenden Annahmen (insbesondere diejenige einer vollständigen Verarmung), die zur Entwicklung der Gleichung (1) führten, im typischen Betriebsfall nicht immer zutreffend sind, ergibt Gleichung (1) eine brauchbare erste Konstruktionsannäherung.

Im folgenden wird auf Fig. 3 erneut Bezug genommen. Bei Betrieb ist es erwünscht, daß alle beweglichen Signalladungen (Löcher), die in einer vorgegebenen Bitlänge vorhanden sind, in deren negativen Teil, das heißt dem örtlichen Speicherplatz,, der gemäß Darstellung durch die Oberflächen-Potentialbereiche S_fi bis Sq gebildet ist, natürlich angezogen werden. Da S₁-(Oberseite der Sperrschicht) das am wenigsten anziehende Oberflächenpotential unter der Elektrode 15 χ ist,

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werden die Spannungen und Dotierstoffkonzentrationen vorteilhafterweise so eingestellt, daß die Größe von "^₁-, geschrieben JS₁-I größer als JS-J ist. Anderenfalls kann ein Teil der Signalladung, welcher sich unter der Elektrode 14 χ befand, als die Taktspannungen in der anderen Halbperiode ( |V„| > |v |) wirksam wfi4in_t nicht über die von S₁- gebildete Sperrschicht bzw. Barriere übertragen werden.

Bekanntlich ist das Oberflächenpotential S bei Strukturen bzw. Anordnungen der in Fig. 2 gezeigten Art als Funktion S (V , Q) der angelegten Spannung V sowie der Größe der Ladung Q ( anders als die Dotierstoffladung N in der StaJctur) gegeben durch den Ausdruck

(2)

^r - I HJ + \=r

wobei ν , ,

d.Q d.Q

X X SS

(3)

"d

= 2£_cqN *

(4)

6.

wobei: £ _ς die" Dielektrizitätskonstante des Speicher— mediums 12 in Farad pro Zentimeter, N die Dotierstoffkonzentration in Dotierungen pro Kubikzentimeter im massiven Teil des Speichermediums 12, Q die der

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Isolierschicht 13 zugeordnete feste Ladung, q die

-19 Elektronenladung, welche etwa 1,6 χ 10 Calomb pro Elektron beträgt, und die anderen Symbole die weiter oben definierten Größen bezeichnen.

Danach ist zu sehen, daß aus der Bedingung JsJ > |s„|

Ä> C-

der Ausdruck

₁, Q_B)| > I S₂(V₂, 0) j (5)

wird, wobei: V das über die Taktleitung 22 an die Elektrode 15 χ angelegte Potential und Q = Q die Sperrschichtladung in Calomb pro Quadratzentimeter ist.

Die zuvor angegebene Minimalbedingung, daß die Zonen 20 und 21 im Betrieb nicht vollständig am beweglichen Ladungsträger verarmen,kann in Gleichungsforrn wie folgt ausgedrückt werden. Wie oben erwähnt, stellen die mit unterbrochenen Linien dargestellten Kurvenabschnitte S-.¹ und S-' in Fig. 3 diejenigen Oberflächenpotentiale dar, welche notwerttLg wären, um eine vollständige Verarmung der Zonen 18 und 19 und der Zonen 20 und 21 herbeizuführen. Es ist einzusehen, daß die beweglichen Löcher in jedem Paar benachbarter Zonen, z.B. 18 χ - 20 χ, 19 χ - 21 χ, 18 γ - 20 y usw. vor einer vollständigen Verarmung

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sich so neu verteilen, daß beide Zonen in jedem Paar auf das gleiche Potential gebracht werden. Dies ist in Fig. 3 dadurch dargestellt, daß S^ = S. und S₇ = Sg.

Es ist außerdem zu erkennen, daß vor der vollständigen Verarmung jedes Paar von benachbarten P-leitenden Zonen selbst sein OberflächenpotentM. einstellt (durch Gewinn oder Verlust von beweglichen Löchern), biß es das untere der beiden benachbarten Potentiale annimmt. Die Ursache hierfür liegt natürlich darin, daß jedes Paar in Bezug auf die angelegten Spannungen V₁ und V_? im wesentlichen elektrisch schwebend, d.h. von den angelegten Spannungen V. und V„ direkt nicht wesentlich beeinflußt ist. Daher sind in Fig. 3 die Potentiale S₃ und ^s von benachbarten Zonen 19x und 21x gleich S^j dem niedrigeren (meist negativen) der beiden angrenzenden Potentiale (S- und S₅) gezeigt; und S₇ und S_ß, die Potentiale benachbarter Zonen 18y und 20y, sind gleich S,- und nicht gleich S-.

Unter Berücksichtigung der obigen Gesichtspunkte läßt sich jetzt zeigen, daß die Bedingung, daß die Zonen 20 und 21 nicht vollständig verarmt werden, ausgedrückt werden kann als Is₄ ¹I "? j S,- | , was, genauer

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ausgedrückt, heißt:

(Q + Q 2Γ

(6)

wobei: Q=Q + Q_n + Q die das Oberflächenpotential

ρ ο SS

in den Zonen 20 und 21 beeinflussende unbewegliche Ladung und Q die Anzahl von in die Zonen 18-21 eingeführten P-leitenden Dotierungen bzw. Dotieretoffen ist; Q_n die Sperrschichtladung in den Zonen T6-17 und Q die der Isolierschicht 13 zugeordnete feste Ladung

bedeutet; und £ die Dielektrizitätskonstante des

Ί ο

Speichermediums ist (für Silizium: £„ = 1,05 χ 10 Farad/cm) Gleichung (2) wird für 9. nicht gebraucht, da über diesem Abschnitt keine Elektrode angeordnet ist.

In der oben angegebenen Gleichung (6) sind Q und Q^ positive Zahlen für N-leitende Dotierstoffe (positiv ionisierte Donatoren); und negative Zahlen für P-leitende Dotierstoffe (negativ ionisierte Akzeptoren). Demgemäß gilt bei einer Struktur entsprechend Fig. Q > 0 und Q <0. Q erhält das Vorzeichen der Ladung in der Isolierschicht 13 und ist bei Silizium-

11 oxid gewöhnlich positiv, typisch etwa 1 χ 10 La—

p _Q Ο

düngen pro cm oder etwa 1,6 χ 10 Cctiomb pro cm .

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Eine weitere für die Charakterisierung der Betriebsweise einer Struktur entsprechend Fig. 2 zweckmäßige Überlegung besteht deirin, daß die Oberfläche aller Teile des Kanals stets verarmt gehalten werden sollte, um die Einflüsse vii Einfangzentren an der Grenzfläche zwischen Speichermedium und Isolierschicht zu minimalisieren-Da S. von allen Oberflächenpotentialen in Fig. 2 das am wenigsten negative Potential ist, kann die Verarmungsbedingung wie folgt beschrieben werden:

E
₁(V₂, Q_B)| >--!- -S_F (7)

wobei: E die Bandabstandsspannung des Speichermediums und S die Differenzgröße zwischen dem Fermi-Niveau und der näheren Bandkante außerhalb der Verarmungszone ist. Für Silizium beträgt E. etwa 1,1 Volt, und bei einer typischen Struktur entsprechend Fig. 2 ist S etwa 0,25 Volt. Daher wird Gleichung (7) in typischer Ausführung der Struktur gemäß Fig. 2 zu IS^. (V^,Q_ß) / 7 0,3 Volt.

Unter Verwendung der obigen Überlegungen undBe— dingungen könnte man bei einer praktisden Konstruktion von folgendem ausgehen: Q , ( . und c wurden durch

Sol ο

Wahl geeigneter Materialien, z.B. ^iliziumoxid als

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Isolator 13 und Silizium als Speichermedium 12, festgelegt. Die Isolierschichtdicke d. würde so dünn wie zweckmäßiger Weise möglich, typisch

ο -5
1000 X (10 cm) gemacht, um die anzulegende er-» forderliche Spannung klein zu halten. Die Hinter-

14 grunddotierung N wird als Kompromiß bei etwa 10

16 O -IC O

bis 10 pro cm , typisch bei 10 pro cm gev^ählt. Ein größeres N verringert die Modulation der Sperrschichthöhe S_R infolge Vorhandenseins von Signalladung, erhöht jedoch unerwünschte Streukapazitäten. Sodannwerden zweckmäßige Betriebsspannungen V, und V ausgewählt und eine geeignete Sperrschichthöhe S bestimmt. Bei gegebenem S wird die Gleichung (1) verwendet, um ein geeignetes Q zu bestimmen. Danach wird Q bestimmt, um die Gleichung (6) zu erfüllen.

15 Beispielsweise kommen mit N = 10 als geeignete Span-.

nungen für V bzw. V -3 Volt und -13 Volt infrage. Wegen der Sperrschichthöhen-verringerung bei niedrigen angelegtein Spannungen, bedingt durch unvollständige Verarmung der Sperrschichtzonen 16 und 17, ist die Sperrschichthöhe S_R vorteilhafter Weise größer als die Spitzenänderung des Oberflächenpotentials (etwa •5 Volt) und kann beispielsweise etwa 7 Volt betragen.

Unter diesen Umständen sollte in Gleichung (1) Q_n

~1 2 12

etwa 2,4 χ 10 Cojiomb/cm oder etwa 1,5 χ 10 Donatoren/cm' sein. Dann beträgt S (V₂, Q„) etwa -0,4 Volt, was

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Gleichung (7) erfüllt. Außerdem ist S₂ (V , O) etwa -1,94 Volt; und S₅ (V₁, Q_ß) ist etwa -4,18 Volt, so daß Gleichung (.5) erfüllt ist. Schließlich ergibt die Verwendung der Gleichung (6), daß Q größer als -

— 7 2 12 P

etwa 3,2 χ 10 Coiomb/cm oder etwa 2 χ 10 Akzeptoren/cm"

Es ist jedoch hervorzuheben, daß der aus der Gleichung (6) berechnete Wert von Q nur ein Minimalwert zur Vermeidung vollständiger Verarmung der Zonen 20 und ist. Vorteilhafter Weise wird Q viel größer (wenigstens um den Faktor 10 und häufig um den Fktor 100) gemacht als dieser Minimalwert von Q , um die 'Wirkung als elektrische Kurzschlußverbindung zwischen benachbarten Elektroden zu verstärken. So ist bei dem obigen Beispiel

-5 2

ein Q -Wert von etwa 3,6 χ 10 CcuLomb/cm " oder etwa

14 2

10 Akzeptoren/cm als geeignet anzusehen.

Mit den vorgenannten Parameterwerten können Elektroden mit den Abmessungen von 15 Mikrometer (1,5 χ 10 cm) in Kanalrichtung (der Richtung der Ladungsübertragung)

_3

und 30 Mikrometer (3 χ 10 cm) seitlich und rechtwinklig zur Richtung der Ladungsübertragung sowie 10 Mikrometer Zwischenräumen zwischen den Elektroden in typischer Ausführung verwendet werden. In diesem Fäle ist eine typische Breite der Sperrschichtzonen 16 und

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10 Mikrometer. Diese Auslegungen können selbstverständlich in weiten Grenzen variiert werden, und zwar in Abhängigkeit von der Verwendung und dem Funktionszweck der V_orr:i__chtung.

Nach der vorstehenden Erörterung der maßgeblichen Größen und anderer für den Betrieb einer Struktur der in Fig. 2 dargestellten Art wichtiger Gesichtspunkte erscheint es zweckmäßig, im folgenden Teil der Beschreibungin allgemeiner Form gewisse Merkmale und Charakteristiken der Erfindung zu behandeln, um das Wesen der Erfindung noch klarer zu beschreiben.

Es wurde oben bereits ausgeführt, daß die Anordnung der stark dotierten Zonen und des Speichermediums unterhalb der Zwischenräume zwischen den Elektroden die Empfindlichkeit der Struktur gegenüber adsorbierter Ladung verringert. Dies ergibt sich direkt aus der Tatsache, daß entsprechend obiger Erläuterung . die Dotierung zwischen den Elektroden in typischer Aus-

12 2 führung höher als 10 pro cm ist und die adsorbierte Ladung und andere ungewollte Ladung auf der Oberfläche für Siliziumoxid-Silizium-Systeme bekanntlich

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in der Regel kleiner als 10 Ladungen pro cm ist.

Wie außerdem oben angegeben wurde, liegt ein wesentlicher Vorzug der Struktur gemäß Fig. 2 gegenüber

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bekannten ladungsgekoppelten Strukturen darin, daß die Herstellung vereinfacht ist. Diese Vorteile ergeben sich prinzipiell aus der Tatsache, daß der rückwärtige Rand jeder Elektrode eine Sollage über den darunterliegenden Sperr.schichtzonen 16 und 17 erhält und die Elektroden als Masken zum Einbringen der P-leitenden Dotierstoffe in die Zwischenräume verwendet werden. Da die Sperrschichtzonen 16 und 17 die P-leitenden Zonen 18 bis 21 sich (über-)schneiden, ist es ohne Bedeutung, daß die Elektroden 14 und 15 nicht genau über diesen Zonen ausgefluchtet werden können» Da die P-leitendenZonen 20 und 21 über dies so konzipiert sind, daß sie niemals vollständig verarmen, bleibt es auf ihre Funktionsweise praktisch ohne Einfluß, ob diese Zonen aufgrund ungenauer Ausrichtung der Elektroden 14 und 15 breiter oder schmaler als in der Darstellung gemäß Fig. 2 sind, vorausgesetzt, daß der rückwärtige Rand jeder Elektrode die -leitende Sperrschichtzone 16 oder 17 so weit überlappt, daß letztere als Sperrschicht wirksam werden kann. Hierin liegt natürlich der Grund für die vorstehend genannte Bedingung, daß die Sperrschichtzonen 16 und 17 großer ausgelegt sind, als die zulässige Toleranz für die Lage des rückwärtigen Randes der zugehörigen darüberliegenden Elektrode.

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Wenn es aus irgendeinem Grunde zweckmäßig erscheint, eine gestufte Oxidstruktur bekannter Ausführung auszubilden, so bedarf es natürlich keiner Verwendung der Sperrschichtzonen 16 und 17, sondern stattdessen kann eine gestufte Oxidschicht zur Erzidlung der Barriere bzw. Sperrschicht verwendet worden. In diesem Falle können die stärker dotierten Zonen in den Räumen zwischen den Elektroden vor der Elektrodenformation gebildet werden, wobei jedoch die Ausrichtung der Elektroden schwieriger ist. In alternativer Ausführung können die starkdotierten Zonen in einer selbstausrichtenden Weise gebildet werden, bekennt beispielsweise als sogenannte 'silicon gate'· Technologie oder als"refractory gate" Technologie, wobei eine Diffusion oder Ioneneinpflanzung unter Verwendung der Elektroden als Maske in der zuvor in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Weise stattfindet.

Schließlich erscheint es wichtig, auf die Tatsache hinzuweisen, daß in der Struktur gemäß Fig. 2 P-leitende Dotierstoffe symmetrisch in Bezug auf die benachbarten Elektroden eingeführt bzw. eingebaut werden. Es ist für den Fachmann verständlich, daß aufgrund derArt der loneneinpflanzung und des nachfolgenden Erwärmungsschritts, bei dem die eingepflanzten Dotierstoffe aktiviert werden, ein geringfügiges

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Eindringen von P-leitendc;n Dotier κ tof f en uni er die Kanten der benachbarten Elektroden erfolgt. Es ist aber auch verständlich, daß dieses Eindrixjen im wesentlichen symmetrisch, d.h. unter allen Elektroden gleich, erfolgt, so daß die P-leitenden Dotierstoffe in dem endgültigen Schichtkörper trotzdem symmetrisch unter dem Raum zwischen deriElektroden angeordnet sind. Dies ist ein wesentliches Merkmal, das eine ladungsgekoppelte Struktur der in Fig. 2 gezeigten Art von einer als bucket-brigade bekannten Art einer Ladungsübertragungsvorrichtunguntorscheidet. Bei dieser bekannten Art von Ladungsübertragungovorrichtungen ist die stärker dotierte Zone unterhalb des Raums zwischen den Elektroden bewußt so angeordnet, daß sie einen beträchtlich größeren Teil der linken Elektrode als der rechten Elektrode untergreift; und es ist tatsächlich gerade diese Anordnungsasymmetrie in Bezug auf den Raum zwischen den Elektroden, die für eine gerichtete Ladungsübertragung sorgt. Bekanntlich manifestiert sich die Tatsache, daß bei der bekannten Struktur die starkdotierte Zone eine Elektrode beträchtlich weit untergreift, in einer Betriebsweise, in der das Oberflächenpotential der starkdotierten Zone auf Werte getrieben wird, die viel größer als die angelegten Spannungen sind. Bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen Aufbau, der zuvor anhand der Fig.

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im einzelnen erläutert worden ist, ist dies nicht der Fall.

An dieser Stelle erscheint es wichtig, die Gründe dafür anzugeben, daß die in Fig. 2 gezeigte Struktur im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen "bucket—brigade"-Vorrichtung als ladungsgekoppelte Vorrichtung betrieben werden kann, ohne eine Signalverschlechterung aufgrund der großen Mengen von mobilen Ladungen (Löcher) des gleichen Leitungstyps wie die zur Signalladung zwischen jeder Elektrode verwendeten Ladungsträger in Kauf nehmen zu müssen. Der Grund hierfür ergibt sich bei Betrachtung der Fig. 3, der zu entnehmen ist, daß die Oberflächenpotentiale S~ und S. (das Potential der P-leitenden Zonen am Ende einer Übertragung) einander gleich und auch gleich S₁- (dem Oberflächenpotential der Sperrschichthöhe und der Übertragungszone) sind. Da S₁- durch die angelegte Taktspannung V bestimmt ist, ist sein Wert am Ende einer Übertragung stets gleich, so daß auch das Potential der P-leitenden Zonen am Ende einer Übertragung stets gleich ist. Da das Oberflächenpotential der P-leitenden Zone am Ende einer Übertragung stets gleich ist, muß auch die Zahl der beweglichen Ladungen in dieser Zone am Ende der Übertragung stets gleich sein. Da sich also keine resultierende Modulation der Zahl von beweglichen Ladungen in einer P-leitenden Zone am Ende

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einer Übertragungsfreigabe der durch diese Zone übertragenen Signalladungen ergibt, ist zu erkennen, daß auch keine Modulation der Signalladungen aufgrund der P-leitenden Zonen erfolgt.

Aus dem vorstehenden Absatz läßt sich zusammenfassend feststellen, daß die starkdotierten Zonen zwischen den Elektroden verwendet worden können, um die Übertragung zwischen den Elektroden bei jeder. Xadungsgekoppelten Vorrichtung zu erleichtern, sofern die Taktspannungen so eingestellt sind, daß das Oberflächenpotential der starkdotierten Zonen stets gleich bleibt, wobei am rückwärtigen Rand der Elektrode (Übertragungselektrode) Ladung am Ende einer Übertragung

aufgegeben wird, unabhängig von der Zahl der während der Übertragung übertragenen Signalladungen. So können beispielsweise in einer Dreiphasen-ladungsgekoppelten Vorrichtung ohne eingebaute Sperrschichten starkdotierte Zonen, die bewegliche Ladungsträger der zur Darstellung der Si gnslinformation verwendeten Art enthalten, zwischen jeder Elektrode benutzt werden, sofern die angelegten Tüki ; paiinungen so eingestellt sind, daß das Oberfläche npotential der starkdotierten Zone in der Nachbarschaft des rückwärtigen Randes einer Übertragungseloktrodo stets am Ende einer Übertragung gleich ist. Dies kann durch Verwendung einer Taktspannungswcllenform erreicht werden, in der jede Phase 3 Potentialniveaus,

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ein "Vorspann-"Niveau, ein "Halt«-ⁿNiveau und ein "Übertragungs-'Niveau, hat, wobei die Größe des "Halte-"Niveaus größer als diejenige des "Vorspann-" Niveaus und di<"· Größe dos "Übertragungs-"Niveaus größer als diejenige des ^l!Hal te-"i;iveaus ist. Im Betrieb wird die Zeitgabe der verschiedenen Potentialniveau ε so eingestellt, daß die Ubertragungselektrode auf dem"Halte-"Niveau eingestellt v.drd, während noch genügend nicht-übertragene Ladung unter der Übertragungselektrode vorhanden ist, um eine beträchtliche Leitfähigkeit über die Länge der ubertragungselektrode aufrecht zu erhalten. Die;se Bedingung läßt sich dadurch erfüllen, daß das "Halte-"Fotential unter der Ubertragungselektrode vor Beginn der tatsächlichen Ladungsübertragungsschrittes, d.h. während die benachbarten beiden Elektroden das "Vorspann-'T'otentisl haben, eingestellt wird. Die Einzelheiten über den Betrieb einer solchen Dreiphasenvorrichtung ergeben sich aus den obigen Erläuterungen.

Es liegt auf der Hand, daß die Leitungstypen und die Spannungspolaritäten gemäß Fig. 2 für den Betrieb entweder im Anreicherungsmodus oder ^im Verarmungsntodus umgekehrt werden können.

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Claims

- ar -

Patentansprüche

/ΊΟ Ladungsgekoppelte Vorrichtung mit einem Speichermedium, das eine Hauptfläche aufweist, über der eine Isolierschicht liegt, ferner mit mehreren Elektroden, die aufeinanderfolgend derart auf der Schicht angeordnet sind, daß ein Weg in einer vorgegebenen Richtung gebildet ist, und mit Mitteln zum Induzieren von asymmetrischen Minima'potentieller Energie solcher variabler Größe im Speichermedium, daß Ladungsträger einer die Information im Speicher-medium darstellenden ersten Polarität speicherbar und übertragbar sind,

dadurch gekennzeichnet, daß im Speichermedium längs des Weges und symmetrisch bezüglich dem Raum zwischen aufeinanderfolgenden Elektroden getrennte erste lokalisierte Zonen (18x, 2Ox, 19x, 21x; 18y, 2Oy) angeordnet sind, die bei Nicht-anliegen der Induktionsmittel bewegliche Ladungsträger der ersten Polarität enthalte^ wobei die Konzentration von beweglichen Ladungsträgern der ersten Polarität in jeder der Zonen genügend groß bemessen ist, um eine vollständige Verarmung bei angelegten Induktionsmittcln zu vermeiden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrische Minima potentieller

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Energie erzeugenden Mittel getrennte zweite lokalisierte Zonen (16x, 17x, 16y) aufweisen, die eine unbewegliche Ladung von überwiegend der ersten Polarität und in einer geringeren Konzentration enthalten als die Konzentration der von den ersten lokalisierten Zonen zugeführten Ladung, und daß die zweiten lokalisierten Zonen jeweils einzeln unter dem rückwärtigen Rand einer Elektrode angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der zweiten Zonen angrenzend an die nächst vorhergehende erste Zone angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration von beweglichen Ladungsträgern in den lokalisierten Zonen bei fehlender Spannungsbe-

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aufschlagung größer als 2x 10 pro Quadratzentimeter
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration von unbeweglicher Ladung in den zweiten Zonen bei fehlender Spannungsbeaufschlagung

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kleiner als 2x 10 pro QuadratZentimeter ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer lödungsgekoppelten Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

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an der Oberfläche eines Speichorrncdiums mit einem massiven Teil eines ersten Leitungstyps mehrere, einen Weg in einer vorgegebenen Richtung bildende erste lokalisierte Zonen gebildet werden, von denen jede den gleichen Leitungstyp wie der massive Teil des Speichermediums und eine Konzentration von unbewegliehen Dotierstoffen hat, die größer als die Konzentration im massiven Teil ist;

eine Isolierschicht auf der überfläche des massiven Teils und den ersten Zonen aufgebaut wird;

auf der Oberfläche der Isolierschicht mehrere Elektroden ausgebildet werden, die auf die lokalisierten Zoi-en derart ausgerichtet werden, daß der rückwärtige Rand jeder Elektrode über wenigstens einem Teil einer der lokalisierten Zonen liegt; und

Dotierstoffe des zweiten Leitungstyps in die Oberfläche des massiven Teils eingebracht werden, wobei die Elektroden als Maske dersrt dienen, daß die Dotierstoffe im wesentlichen nur unterhalb

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der Räume zwischen den Elektroden in den massiven Teil eindringen, und wobei die Konzentration der bei diesem Verfahrensi.chr.itt eingebrachten Dotierstoffe genügend groß gewählt wird, daß die in den Raum zwischen den Elektroden hineinreichenden Teile der ersten Zonen kompensiert und in den anderen Leitungstyp umgewandelt werden.

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