DE2542832A1 - Regenerierschaltung fuer ladungsverschiebeanordnungen in mehrlagenmetallisierung - Google Patents
Regenerierschaltung fuer ladungsverschiebeanordnungen in mehrlagenmetallisierungInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, den 16.9.1975
Berlin und München WittelsbacherD^at^
VPA 75 P 7172 BRD
Regenerierschaltung für Ladungsverschiebeanordnungen in Mehrlagenmetallisierung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regenerierschaltung für Ladungsverschiebeenordnungen nach dom Charge-Coupled-Device-Prinzip
in Mehrlageniaetallisierung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
Bei laduugsgckappelten Schaltungen ist es erforderlich, die Information
nach eirjer bestimmten Anzahl von Übertragungen zu regenerieren,
damit die ursprüngliche Information erhalten bleibt» An die hierfür benötigten Regenerierstufen werden bezüglich des
Platzbod.arfos und der Übertragungsgeschwindigkeit hohe Anforderungen
gestellt.
Bei. spiolfc"v-;oise wird bei bekannten'digitalen Regenerier stufen au.fgrv'".'.c>
der in den Rogenerierstufen ankommenden Ladungsmenge oino
En Ische:! cluug getroffen» ob am nachfolgenden El in gang ein neues
Ladungspaket eingeben soll oder nicht. Dies geschieht zumeist dadurch
f dai3 durch das ankoKunynde Lodungspaket das Potcntinl οία
Gateanochluß eines MOS-Feldeffekttronriistorp der Eir^^iigcatufo hü
beeinflußt wird, daß ein bzw. kein fttrors zv/ißc.ben dem Souj-ccgebi&t
und dem Dmingcbist des Trcnsititora fließt.
Solchö Schaltungciii haben neben dem relativ großen Platsbedarf
den v/eitoren Nachteil, daß sie den Geschwindigkoitsanforderungün
von Ladungsverschiebeanordnungen, dj & bei etwa 10 I1SIz liegen,
ηicht en ;.-.ί-prechen»
Die Autgabe der vorliegenden Erf incur· £ !--u^tcli!. ücm^vi^lyß darin, ciuo
Regenerierschaltung für Ladungsverscbi οneanOrdnungen ri
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bad
deren Platzbedarf gering ist und die den gestellten Geschwindigkeitsanforderungen
entspricht.
Diese Aufgabe wird durch eine wie eingangs bereits erwähnte Regenerier schaltung gelöst, die durch die in dem Kennzeichen de?,"
Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die durch Haftstellen
\xivl durch zu kurze Übertragungszeit verursachten Signalverfälijchungeri
kompensiert v/erden.
Weitere Erläuterungen zur Erfindung £&hexi aus dor Beschreibung und
den Figuren hervor.
Die Figur 1 zeigt in schematischcr Darstellung einen Schnitt durch
eine Ladungßver.schiebcianordnung mit einer erfindungsgemäßen
Regenerierschaltung ζυ.Ώ Entfernen dor durch
Leckströme in Potruitialsenken erzeugten Ladung.
-ö <
Bio Figur 2 zeigt die Aufhiebt auf die Schaltung nach der Figur 1.
Dio Figur 3 zeigt der·, in dor Figur 2 angegebenen Schnitt JlI-III
ei irr· ch d 1 ο Re gene r .1 ο ΐ· s ch a 1 tu η g,
}>io Figur h zeigt die Aufsicht auf eine erfindnnp&gem'äße Regenerier
t.chaltui}fi zur- Sii;:nalreni';neration und zum Entfernen dor
durch LctJ-ströme in Potentialsenkon erzeugt&/i Ladung.
Dd>. Figur b zeigt den in der Figur 4 angegebenen Schnitt V-V.
Die Figur 6 zeigt ein Ortsdiacrainm bei der Sißrialrogenerction.
Zr< άα-.ν F.r.r\nchn:.z lührtc.-n die- fol&endon Uberle/ni-i^en. Be?ü Speichern
von digitaler Information in ladungagckoppoütf « Kiemenl'in liüsnen
vor allen /;v/ol Fehlcrurr-achev: boi ücksiclitigt vorden. ELu rvt.:· ts
wei'den iviit eier /WiI aliu Fotontialscxiken durch Leokctrörüc au
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BAD 0RK3iNÄLC ^*"3
füllt, so daß der zur Verfügung stehende Amplitudenbereich verschwindet.
Andererseits bleibt beim Ladungstransport von jedem Ladungspaket ein Anteil in Haftstellen und aufgrund von zu kurzer
Ubertragungszeit zurück. Dadurch bedingt wird die Signalladung verringert und es bildet sich ein sogenannter Nachfolger. Dabei
wird unter einem Nachfolger ein Signal verstanden, das dem eigentlichen Ladungspaket zeitlich verschoben mit geringerer
Amplitude nachfolgt.
Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung zur Regeneration von Signalen angegeben, mit der die oben beschriebenen" Fehlerursachan
weitgehendst kompensiert werden können«.
Die Ladungsmenge, die bei allen Potentialsenken aufgrund vonLeckströKien
ent ε tent, ist bei dem Grundladungsbetrieb in der ersten
Näherung unabhängig davon, ob in der Senke bereits ein Ladungspaket vorhanden ist, was einer logischen "1" entspricht, oder ob
in der Senke kein Ladungspaket vorhanden ist, was einer logischcjn
"0" entspricht. Der Leckstrom kann somit kompensiert v/erden, indem
nach einer bestimmten Zeit und damit nach einer bestimmten Anzahl von Übertragungen von allen Potentialsenken eine gleich große
Ladungsmenge entfernt wird. Dies ist anhand der Figuren 1 bis 3 am Beispiel eines Zweiphasen-CCDs dargestellt.
In der Figur 1 ist der Schnitt und in der Figur 2 die Aufsicht auf
eine erfindixagsgemäße Regenerierschaltung zum Entfernen von durch
Leckströme erzeugten Ladungen im Zusammenhang mit einem Zweiphasen-CCD
dargestellt. Dabei ist auf dem Substrat 1, das vorzugsweise aua halbl ei tender« Siliziumtnaterial besteht, eine elektrisch isolierende
Schicht 2 aufgebracht. In der elektrisch isolierenden Schicht 2, die vorzugsweise aus SiO? besteht, sind in der ersten Ebene
Elektroden 31 bis 34, die vorzugsweise aus Silizium bestehen, angeordnet.
Diese Elektroden 31 bis 34 sind durch Spalte voneinander
getrennt« Auf der elektrisch isolierenden Schicht 2 sind die Elektroden der zweiten Ebene 41 bis 44, die vorzugsweise aus
Aluminium bestehen, oberhalb der Spalte zwischen den Elektroden
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bis 34 der ersten Ebene angeordnet. Beispielsweise soll an der Stelle der Elektrode 31 (Figur 2) eine bestimmte Ladungsmenge
aus der Potentialsenke entfernt werden. Zu diesem Zweck ist, wie insbesondere aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, seitlich
neben dem Verschiebungskanal neben der Elektrode 31 der Ladungsverschi ebeanordnung in der zweiten Ebene eine Elektrode 7, die mit
einem Anschluß 71 versehen ist, angeordnet. An der Oberfläche des halbleitenden Substrates 1 ist, in der aus den Figuren 2 und 3
ersichtlichen Weise ein Diffusionsgebiet 8, das entgegengesetzt •zu dem Substrat 1 dotiert ist, seitlich neben der Elektrode 7 bzw.
mit der Elektrode 7 überlappend angeordnet. Die Figur 3 zeigt den in der Figur 2 angedeuteten SchnittHI-III, durch die Elektrode 31
der ersten Ebene, die Elektrode 7 der zweiten Ebene und das Diffusionsgebiet 8.
Beispielsweise sind diese erfindungsgemäßen Stufen in regelmäßigen
Abständen neben CCD-Elementen, beispielsweise etwa alle 100 CCD-Elemente,
angeordnet.
Im folgenden soll kurz die Funktion des erfindungsgemäßen Absaugens
von Ladung i;us der Potentialsenke beschrieben werden. Beispielsweise
wird an den Anschluß 72 der linken Elektrode 42 des Elektrodenpaares 42/32, die bei der Übertragung als Schwelle 43
(Figur 1) wirkt, eine solche Spannung angelegt, daß nicht das ganze
LadungspaJret vom vorhergehenden Elektrodenpaar (41/31 übertragen
wird, sondern daß /jenau der gewünschte Anteil 44, der der durch
Leckstrüpo erzeugten Ladung entspricht, zurückb3.eibt. Zu diesem
Zweck wird an den Abschluß 72 dersc-lbo Takt, wie an die entsprechenden
anderen Anschlüsse des gleichen Taktes angelegt. Die Amplitude des Taktes wird jedoch kleiner gewählt, so daß in der
Übertragungsrichtung eine Schwelle bestehen bleibt. Dieser zurückgebliebene Ladungnanteil hh kann nun durch das Öffnen der Elektrode
7- (Figur 3) seitlich verschoben werden (Pfeil 11), und über das Diffusionsgebiet 8 entfernt werden. Zu diesem Zweck wird an den
Anschluß 71 der Elektrode 7 und an cU>i>
Diffusionsgebiet 8 jeweils ein Potential angelegt, daß zum Diffusionsgebiet 8 hin das in der
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Figur 3 dargestellte Potentialgefälle entsteht.
Mit einer solchen erfindungsgemäßen Stufe kann neben der von Leckströmen
erzeugten Ladung auch eine gleichmäßige Grundladung erzeugt werden. Mit einem geänderten Impulsdiagramm ist es außerdem möglich,
die im CCD gespeicherte Information über eine soihe Stufe auszulesen.
Um die infolge der Übertragungsverluste entstandene Signalver-fälschung
zu korrigieren, ist eine zweite Stufe erforderlich, die nach dem gleichen Prinzip wie die zuvor beschriebene arbeitet. Es
wird wieder von jedem Ladungspaket eine feste gleich große Ladungsmenge 44' zurückgehalten. Diese Ladungsmenge wird aber nicht entfernt,
sondern um eine Einheit vor das Ladungspaket geschoben, den sie entnommen wurde. Den Aufbau einer solchen erfindungsgeraäßen
Vorrichtung zur Signalregeneration am Ende einer CCD-Schleife zeigt die Figur 4. Einzelheiten der Figur 4, die bereits im Zusammenhang
mit dem anderen Figuren beschrieben wurden, tragen die entsprechenden
Bezugszeichen. In der Figur 4 ist auch die erfindungsgemäße Regenerierstufe (31', 7', Ü1) nach der Figur 2 enthalten. Wird
die zurückgebliebene Ladungsmenge 44' so gewählt, ch.s sie derjenigen
entspricht, die während der Übertragung von einem Ladungspaket zurückgelassen wurde und einen Nachfolger bildet, dann wird,
durch das Verschieben nach vorne der Nachfolger wiederum zum Signalimpuls
addiert und kompensiert.
In der Figur 4 ist eine CCD-Schleife dargestellt. Dabei bilden
die Elektroden 40', 30', 41', 31' bis 4?', 37' Elektrodenpaaro
einer Zweipbasen-CCD-Anordnung. Diese Elektrodenpaare werden in bekannter V/eise über die Taktleitungen 5 und 6 angesteuert. An dem
mit V bezeichneten Ort soll die Ladungsauskopplimg bzw. die
Ladungsübertragung erfolgen. In der Figur 5 ist der Schnitt V- V dargestellt. Seitlich neben dem Verschiebokanal ist neben der
Elektrode 32' in der zweite Ebeno eine Elektrode 9 mit einem Anschluß
91 dargestellt. Diese Elektrode 9 grenzt seitlich an die Elektrode 35' des gegenüberliegenden VorKchiebokanals.
Im folgenden soll nun die Funktion im Zusammenhang mit den Figuren
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5 und 6 beschrieben werden. In der Figur 6 sind drei aufeinanderfolgende
Impulse 10, 20 und 30 dargestellt. Dabei befindet sich der Impuls 10 gerade an dem Ort der Elektrode 32' der erfindungsgemäßen
Regenerierstufe. Es wird angenommen, daß das ankommende Signal verfälscht ist, vas bedeutet, daß das zuerst am Ort der
Regenerierschaltung eintreffende Ladungspaket 10 weniger Ladung enthält. Ferner wird angenommen, daß hinter dem letzten und
dritten Ladungspaket 30 ein Nachfolger 40 vorhanden ist. Die Information wird nun εο beeinflußt, daß in der Regenerierstufe, die
aus den Elektroden 32', 9 und 35' besteht, von jedem Signal eine feste Ladungsmenge 44' um eine Einheit nach vorne verschoben wird,
vorausgesetzt, daß genügend Ladung vorhanden ist. Dies bedeutet,
daß zunächst, wie aus der Figur 6 hervorgeht, von dem Ladungspaket 10 eine Ladungsmenge 44 nach vorne verschoben wird, so daß
aus dem Ladungcpaket 10 dos Ladung^paket 101 und davor das Ladungspaket 102 entsteht. Zu diesen: Zweck werden, wie aus der Figur 5
ersichtlich ist, ar. die Elektroden 32' , 91 und 35 Potentiale £.n/j;elegt,
.'jo daß die in der Figur 5 dargestellte Potential stufe entsteht« An den Anschluß 92 der Elektrode 43( wird derselbe Takt wie
on die* anderen entsprechenden Anschlüsse angelegt. Die Amplitude
diese.?. Taktes ist jedoch kleiner, so daß in der Übert:G£ungßrieh··
tung eine Schwelle entstehen bleibt. Auf diese Weise; wird·-die
Ladu.nr, 44' der. L;-duri£spaketes 10 unter die Elektrode 35' gesaugt,
so daß dort das Ladun^spaket 102, das der Lad\mgsmei\f:e 44' entspricht,
entsteht. Durch Abzug der Ladungsmenge 44' ist aus dem
Ladu:i^r,paVet 10 unter der Elektrode 32' dann das Lc-dungopaUet
ßev/orden. Wenn r.ich dos zweite Ladun^rf.pakct 20 unter der Regenerierstufe
befindet, wird diener.; wiederum-die Ladungewen^c 44'
entzogen. Diese Ladungsmenge wird dann dem unter der gegenüberliegenden
Elektrode 35' befindliche Ladungspaket 101 aufaddiert,
so daß des entstehende Ladungspaket 103 die Größe der. ur-
&}rr\u;f*'Xlchon Ladimgspaketes 10 annimmt. Das Ladungspaket 20 ist dann
um den Betrag öer Lad.u^oMeri^e 44' kleiner gevorden. Dieses Ladungnpaket
J ."t mit 201 bezeichnet. Boiu n;h;hütci Takt befind;.t κ j eh dan
dritte J.oclungfpaket 30 unter der Elektrode 32' der erf iiiduii;,;;-·
ßejiiäijeii Rogenerierachaltunc. Diesem Ladung .spake t 30 wird wiederum
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r CAP
die Ladungsmenge 44r entzogen und dem dann unter der Elektrode 35' ·
befindlichen Ladungspaket 201 aufaddiert. Auf diese Weise vergrößert sich das"Ladungspaket 201 um die Ladungsmenge 44'. Dieses
vergrößerte Ladungspaket ist mit 202 "bezeichnet. Durch Abzug der
Ladungsmenge 44f von dem Ladungspaket 30 entsteht das Ladungspaket 301. Nach dem dritten Ladungspaket 30 gelangt der Nachfolger
40 unter die Elektrode 32' der erfindungsgemäßen Regenerierschaltung.
Die Ladungsmenge des Nachfolgers 40 entspricht der Ladung 44'. Diese Ladung 44· wird nun auf die gegenüberliegende
Elektrode 35' übertragen, so daß aus dem dort gerade befindlichen Ladungspaket 301 das Ladungspaket 302 v/ird, das dann gleich groß
dem Ladungspaket 202 ist. Auf diese Weise ist der Nachfolger 40 verschoben worden.
Der von dem ersten Ladungr>paket 10 nach vorne verschobene Anteil
102 (Vorlaufer) vdrd vorte/ilhafterv/eise bei den nachfolgenden Übertragungen
in Haft stellen zurückgehalten und koranrt so wieder zum
Signalimpuls.
Das aus den Impulsen 102, 103, 202 und 302 bestehende Signal verläßt
die erfinchmgsgemäSe Regenerier stufe. Durch die im CCD
auftretenden Verluatmechsnismen bekommt es nach n-Übertragungen
in etwa wieder die Form, die es am Anfang hatte.
Da die erfindungsgemäßen Schaltungen ebenfalls nach dem CCD-Prinzip
arbeiten,, zeichnen sie sich durch einen geringen Platzbedarf und
durch hohe Geschwindigkeiten aus.
Vorteilhafterweise werden die erfindungsgemäßen Regenerierschaltungen
angewendet, wenn bei seriellen CCD-Speichern schnelle Suchläufe erforderlich sind, um eine gewünschte Information zu einer vorgegebenen
Stelle zu bringen.
Die erfindungßgemaße Regraörierschaltung eignet sich für den Zweibzw.
Vier-Phasenbetrieb, da zwir.obon der abgebenden und der aufnehmenden
Potentialsenke eine beeinflußbare Schwelle vorhanden sein soll.
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Leerseite
Claims (10)
1.) Regenerierschaltung für LadungsverSchiebeanordnungen nach dem
^""^ Charge-Coupled-Device-Prinzip, bei der in dem Verschiebekanal
nebeneinander einzelne Verschiebeelemente in Mehrlagenmetallisierung
auf einem Substrat angeordnet sind, dadurch g e k e η η zeichnet
, daß zum Entfernen von durch Leckströme erzeugten Ladung in vorgegebenen Abständen neben einer Elektrode
(31) eines Verschiebeelemerites seitlich neben dem Verschiebekanal
eine v/eitere Elektrode (7) angeordnet ist, daß seitlich neben dieser weiteren Elektrode (7) an der Oberfläche des Substrates
(1) ein entgegengesetzt zu dem Substrat (1) dotiertes Diffusionsgebiet (8) vorgesehen ist, wobei dieses Diffusionsgebic-t (8)
seitlich an die weitere Elektrode (7) anschließt oder teilweise mit dieser überlappt, daß die in d.er Ladungsverschioberichtung
auf die Elektrode (31) folgende Elektrode (42) einen eigenen Anschluß (4?.) aufweist, und/oder daß zum Abbau von Nachläufern
in vorgegebenen Abständen seitlich neben einer anderen Elektrode (321) einer, anderen Vorschiebeelensntes. des Verschiebekano.lt neben
die ρ em Vcrschiebekanal eine andere v/eitere Elektrode- (9) angeordnet
ist, daß die.sα andere weiture Elektrode (9) F.ei ti:! ch on
dia ftnaere Elektrode (32') und an fein υ en tap rech end ο zusätzliche
Elektrode (35') dos in Verschioberichtimg gesehenen darauffolgenden
Verschiebeelfjc-entes anschließt oder mit diesem teilweise
überlappt, und daß eine in der Lndun^sverschiebGrichturip; auf die
andere Elokxrode (321) folgende Elektrode (43') einen eisernen
Anschluü (92) aufweist.
2. Regencriersehaltung nach Anspruch 1 r dadurch g α k e η η
zeichnet , daß zum Entfernen von durch Loc)'ströme erzeugten
Ladungen die Elektrode (31) in der ersten Ebene angeordnet ist,
daß die weiters Elektrode (7) i?) der zweiton Ebene angeordnet ist,
und/odcjr doß zum /.bbau vort Nachläuiorn in vorgegebenen Abständen
öl«"1 .'.ndöre Elektrode (32') in der ersten Ebono angeordnet ist,uad
daß die andere v/eitere Elektrode (9) in der zweiten Ebene rnp.cordnet
i st.
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BAD OFHQINAL ';
- 9t —
3. Regener ler schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet , daß die Regener i er schaltung zum Abbau von Nachläufern am Ende einer CCD-Schleife angeordnet ist, wobei
sich die andere Elektrode (32*) und die entsprechende zusätzliche Elektrode (35 ') gegenüberliegen, und wobei die andere weitere
Elektrode (9) zwischen der anderen Elektrode (32) und der entsprechenden zusätzlichen Elektrode (351) angeordnet ist.
4. Regenerierschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet ,daß der vorgegebene Abstand etwa
.den Abstand von 100 Verschiebeeleinenten entspricht.
5. Regenerier schaltung nach einem der Ansprüche' 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet , daß das Substrat (1) aus Siliziummaterial
besteht.
6. Regenerierschal.turig nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet , daß die elektrisch isolierende Schicht (2) aus SiO„ besteht,
7. Regcner?!crschaltimg nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet , daß die Elektroden der ersten
Ebene (31 bis 34, 30f bis 37') aus Silizium bestehen.
8. Regcnf-j-ierschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet , daß die Elektroden der zweiten
Ebene (7, 9, 41 bis 44, 40f bis 48r) aus Aluminium bestehen.
9« Verfahren zum Betrieb einer Regenerierschaltung nach einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß
zur Erzeugung eineκ Potentialgefälles von der Elektrode (31) zura
Diffusionsgebiet (8) hin an dio weitere Elektrode (7) ein Potential
angelegt wird, das größer ist als das Potential an der Elektrode
(31) dor Ladungsver.viohiebeanordnurjg, daß an das Diffusionsgebiet
(S) ein Potential angelegt wird, -das größer als das Potential an
der Elektrode (7) int und daß an die folgende Elektrode (42) mit
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dem der entsprechenden Elektrode der anderen Verschiebeelemente gleichen Takt eine kleinere Spannung angelegt wird, so daß in der
Übertragungsrichtung unter der folgenden Elektrode (42) eine
Schwelle bestehen bleibt.
10. Verfahren zum Betrieb einer Regenerierschaltung nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß
an die andere weitere Elektrode (9) ein Potential angelegt wird, das größer ist als das Potential an der anderen Elektrode (32')»
daß an die entsprechende zusätzliche Elektrode (35') ein Potential
angelegt wird, das größer ist als das Potential an der anderen weitei^en Elektrode (9) und daß an die auf die andere Elektrode (32f)
folgende Elektrode (43') mit derr. der entsprechenden Elektrode der anderen Verschiebeelernente gleichen Takt eine kleinere Spannung
angelegt wird, so daß in der Übertragungsrichtung unter der folgenden Elektrode (43') eine Schwelle bestehen bleibt.
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