DE2755493A1 - Ladungsuebertragungsanordnung mit doppelspalt-elektrode - Google Patents

Ladungsuebertragungsanordnung mit doppelspalt-elektrode

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Lester Porter Sellars
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Description

Die Erfindung betrifft ein Ladungsübertragungsgerät zur Benutzung bei Transversalfiltern und dergl. und sie betrifft im besonderen ein Gerät, bei dem ein Doppelspalt in der Fühlelektrode benutzt wird, um die Gesamtelektrodenkapazität und damit die Gleichtakt-Signalkomponente der erfaßten Spannungen zu vermindern.
Ladungsübertragungsgeräte (CTD), wie z.B. CCDs (chargecoupled devices) und BBDs (bucket brigade devices) können bei der Signalverarbeitung,beispielsweise bei Spaltelektroden-Transversalfiltern, einfach eingesetzt werden. Eine Besprechung der Entwurfsbetrachtungen für einen solchen Filter ist in einem Aufsatz von Richard D. Baertsch u.a. mit dem Titel "The Design and Operation of Practical Charge-Transfer Transversal Filters" enthalten, der in den IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. ED-23, Nr. 2, Februar 1976, S. 133-142, erschienen ist. In diesem Aufsatz werden eine Anzahl von Schwierigkeiten aufgezeigt, die man beim Aufbau eines solchen Filters unter Benutzung der Spaltelektroden-Ladungsübertragungstechnik antrifft. Bei einem solchen Transversalfilter wird das Ausgangssignal dadurch erhalten, daß wiederholt die Summe der erfaßten Signale jeder Spaltelektrode von der der anderen Spaltelektroden abgezogen werden, während bewegliche Ladungen längs des Gerätes übertragen werden. In Fig. 15 dieses Aufsatzes ist zu ersehen, daß bei einem typischen Filter bei einer grossen Mehrzahl der Spaltelektroden nur ein kleines Differenzsignal zwischen den beiden Segmenten erhalten wird. Wie in dem Aufsatz gezeigt ist, wird dadurch das Differentialsignal vernachlässigbar größer, während die Gesamtelektrodenkapazität weiter ansteigt, wodurch sich insgesamt eine
Abnahme der Signalspannung und eine Verschlechterung des Signal-Rauschverhältnisses ergibt.
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Durch die vorliegende Erfindung wird dieser Effekt dadurch wesentlich verringert, daß eine Doppelspalt-Elektrodenstruktur verwendet wird, bei der die Sensorelektroden in drei Segmente unterteilt werden, von denen nur zwei differenziell erfaßt werden. Das dritte, nicht erfassende Segment wird getrennt getaktet, um sicherzustellen, daß die gesamte bewegliche Ladung in jeder Stufe längs des Gerätes übertragen wird. Bei diesem Aufbau ist die mit jeder Erfassungsleitung verbundene Gesamtelektrodenflache so klein wie möglich gehalten und das Taktübergangssignal, die kapazitive Belastung und das an dem Differentialverstärker anliegende Gleichtaktsignal auf diese Weise verringert. Zusätzlich zum verbesserten Betrieb wird den peripheren Schaltungen die Erfassung des Ausgangssignales erleichtert.
So betrifft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Ladungsübertragung sgerät, das besonders zur Verwendung bei Transversalfiltern und dergl. geeignet ist und das eine Ladungsspeicher-Grundschicht, eine über der Grundschicht angeordnete dielektrische Schicht und eine Vielzahl von Speicherelektroden umfaßt, die einander benachbart über der dielektrischen Schicht angeordnet sind, um die aufeinanderfolgende übertragung beweglicher Ladungen längs eines Kanals in dem Körper in Abhängigkeit von anliegenden Taktspannungssignalen zu steuern. Bei einem solchen Gerät sind mindestens einige der Speicherelektroden dadurch verbessert, daß sie durch in Richtung der Ladungsübertragung verlaufende Spalte in drei Segmente geteilt sind, von denen nur jeweils zwei differenziell summiert werden.
Eines der bei jedem Spaltelektrodengerät auftretenden Probleme ist die Vieldeutigkeit, mit der sich die Ladungen unterhalb der Sensorelektroden verteilen. Bei einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Gerätes wird eine begrenzte Feldoxidregion oder -insel unterhalb des Spaltes in jeder Elektrode gebildet. Diese Struktur kann dadurch verbessert werden, daß man eine schmale Zunge an der Vorderkante jeder begrenzten Region benutzt, die
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sich teilweise unter die davorliegende Speicherelektrode erstreckt, so daß das Aufteilen der Ladungen während des UbertragungsVorganges früher beginnt. Diese schmale Zunge verringert die Breite der zur Doppeldeutigkeit führenden Fläche und verstärkt das Feld im Spaltbereich.
Die Hinzufügung dieser begrenzten Feldoxidregion verkleinert die aktiven Abschnitte der Sensorelektroden. Um das auszugleichen, ist bei einer Ausführung der Erfindung eine Kerbe an der Seite des Kanals enthalten. Die Fläche dieser Kerbe ist gleich der Hälfte der Fläche unter der begrenzten oder örtlichen Oxidregion, so daß sie beim Aufteilen der Ladung die gleiche Fläche unterhalb der Spaltelektrode einnimmt, die unterhalb einer niht gespaltenen Elektrode eingenommen wird. Dadurch wird sichergestellt, daß die Ladungsdichte und damit das Oberflächenpotential der Spaltelektrode unter jedem Sensorsegment der Elektroden gleich bleibt und so die Störung des Ausgangssignals so gering wie möglich gehalten wird.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer CCD-Anordnung , und
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 längs der Linie U-II.
Die Herstellung der hier beschriebenen CCD-Anordnung geschieht unter Verwendung von Technologien, die auf dem Gebiet der Halbleitergeräte gut eingeführt und bekannt sind. Es wird deshalb für unnötig erachtet, die einzelnen Bearbeitungsschritte im einzelnen zu beschreiben. Ein Verfahren zum Aufbau eines Polysilizium-CCD-Elementes mit zwei Schichten, das die Grundstruktur der besprochenen Anordnung darstellt, wird in der CA-PS 941 072 beschrieben. Es
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wird darauf hingewiesen, daß die Zeichnungen das Erfindungswesentlihe im Aufbau darstellen und nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind.
Bei der folgenden ins Einzelne gehenden Beschreibung und in der Zeichnung sind die Einzelelemente der Anordnung mit Grund-Referenznummern bezeichnet. Wenn zwischen solchen Elementen unterschieden werden muß, sind zusätzliche Referenzzeichen zu den Grundziffern hinzugefügt. Im allgemeinen wird nur die Grundnummer angesprochen.
Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Abschnitt der CCD-Anordnung umfaßt ein Substrat 10 aus p-Silizium, auf dem eine Isolierschicht 11 aus Siliziumdioxid von variabler Stärke angeordnet ist. Eine Reihe von SpeicheiELektroden 12 und Transfergattern 13 sind in Querrichtung in oder an der Isolierschicht 11 so angebracht, daß jede Elektrode die benachbarten der anderen Art teilweise überdeckt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält die Isolierschicht 11 aus Siliziumdioxid eine Gate-Region 15, die den Kanal zur übertragung der beweglidien Ladung unter Beeinflussung der Taktspannungen an den Elektroden 12 und 13 bestimmt. Diese Gate-Oxidregionen werden durch dickere Feldoxidregionen 16 begrenzt, die die Grenzen des Kanals bilden. Die Feldoxidregionen 16 sind stark genug, um die Abschnitte des Halbleitersubstrates 10 unmittelbar unter ihnen unter dem Einfluß anliegender Taktspannungen an den Elektroden 12 und 13 nicht invertieren zu lassen. Folglich werden Minoritätsladungsträger nur in dem durch die Gate-Oxidregionen 15 bestimmten Kanal längs des Substrates 10 befördert. Zusätzlich sind kleine Inseln oder Bereiche aus Feldoxid unterhalb jedes Spaltes der Speicherelektroden 12 gebildet. Zusätzlich werden dann, um die Herstellung zu erleichtern, Feldoxidregionen 18 ebenfalls dort verwendet, wo die Mittelsegmente 12F" und 12H" der Spalt-Speicher-
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elektroden 12 durch einen Leiter 19 verbunden sind. Jede der Inseln 17 und 18 besitzt eine schmale Zunge 20 aus Feldoxid, die sich nach vorne unterhalb einen Abschnitt der vorhergehenden Elektrode 12 erstreckt. Die Aufgabe dieser Zunge 20 ist es, die Teilung der Ladung unterhalb der Spaltelektrode einzuleiten, wenn sie von der Stelle unterhalb der vorderen Elektrode weg übertragen wird, um irgendeine Mehrdeutigkeit möglichst klein zu halten und die Breite der Spaltfläche zu verringern.
Bei einer typischen CCD-Anordnung mit Spaltelektroden wird unterhalb jeder zweiten Speicherelektrode die Ladung erfaßt. Folglich sind die Speicherelektroden ΈΑ, 12C, 12E und 12G nicht geteilt. Die Elektroden X2B und 12D sind typische bekannte Spaltelektroden, die zusammen mit den Doppelspalt-Elektroden 12F und 12H der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. So können, wenn große Differenzen erforderlich sind, die Einzelspaltelektroden (z.B. 12B) verwendet werden, während bei kleinen Differenzen die Doppelspaltelektroden (z.B.12F) die gleiche Funktion erfüllen.
Die in Fig. 2 dargestellte typische CCD-Anordnung nach der vorliegenden Erfindung weist Elektroden 12 und 13 auf, die in Richtung des Ladungsflusses 8 um breit sind und voneinander durch einen Spalt von 4 um Breite getrennt sind. Auf diese Weise ergibt sich eine Uberdeckung von 2 um zwischen benachbarten Speicherelektroden 12 und Transfergattern 13.
Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, ist die Begrenzung 15' zwischen der Gate-Oxidregion 15 und der Feldoxidregion 16 jeweils unter den Spaltelektroden etwas breiter gestuft als es unterhalb der nichtgespaltenen Elektroden der Fall ist. Das hat den Zweck, die verringerten Flächen der Gate-Regionen infolge der Feldoxidinseln 17 in der Spaltelektrode auszugleichen. Die Fläche dieser Stufe oder dieses Einschnittes ist gleich der Hälfte der Fläche unter der vorangehenden Speicherelek-
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trode,der Spaltinsel 17 benachbart, so daß die Ladung beim Aufteilen die gleiche Fläche unter den Sensorelektroden 12B, 12D, 12F und 12H einnimmt wie unter den vorhergehenden nicht gespaltenen Speicherelektroden 12A,12C,12E und 12G. Dadurch wird sichergestellt, daß die Ladungsdichte uid das Oberflächenpotential unter jedem Sensorsegment der Elektroden gleich bleibt und so die Störung des Ausgangssignals möglichst klein gehalten wird.
Im Betrieb werden Ladungsmengen längs des Kanals 15 von links nach rechts,gesteuert von Taktspannungen 0.. , 0~, 0?' ' 0o" ' ^3 und 0. übertragen, indem die Stellen der Potential-Minima in wohlbekannter Weise entsprechend geändert werden. Die Erfassung der Differenzen der Spannungsänderungen in den Leitungen 02 und 0-', die von der Ladungsübertragung unterhalb der mit ihnen verbundenen Elektrodensegmente herrühren, kann unter Benutzung der üblichen Differentialverstärkertechnik erreicht werden, wie es in Abschnitt IV "Clocking and Signal Recovery" des Aufsatzes von Baertsch u.a. beschrieben ist.
Der Takt 0^" ist im Gleichklang mit dem Signal auf den Taktleitungen 02 und 02', so daß die beweglichen Ladungen gleichzeitig unter den drei Segmenten der Doppelspaltelektroden übertragen werden. Es sind jedoch nur die beiden Endsegmente 12F und 12H bzw. 12F' und 12H1 nach ihrer Differenz erfaßt, während die Mittelsegmente 12F" und 12H" nur dazu dienen, die Ausgleichsmenge der beweglichen Ladung längs der Anordnung zu übertragen, um eine gleichförmige Ladungsdichte im Kanal 15 unter den Doppelspaltelektroden aufrechtzuerhalten. Diese Differenz wird mit einer merklichen Abnahme der Gesamtkapazität der Sensorelektroden 12F, 12F1, 12H und 12H1 erreicht.
Das ist besonders bei der Doppelspaltelektrode 12H augenfällig, bei der die Differenz zwischen den beiden Endsegmenten 12H und 12H1 vergleichsweise klein ist und das nicht erfaßte Mittelsegment 12H" mehr als 80 % der Breite des Kanals 15 überdeckt.
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Wie bereits gezeigt, wird dort, wo, wie in der Elektrode 12B, eine sehr große Differenz erforderlich ist, die übliche Einzelspaltelektrode statt der Doppelspaltelektrode benutzt. So können in einer einzigen Anordnung beide Arten vorteilhaft Verwendung finden.
In Fig.15 des angeführten Aufsatzes von Baertsch u.a. ist die Verwendung eines parallelen Kanals an einer Seite beschrieben, um die Gesamtkapazität zwischen den beiden Reihen von Sensorelektroden auszugleichen. Da die Ätzverfahren fehlerbehaftet sind, kann ein verbesserter Ausgleich erreicht werden, wenn ein schmaler Kanal an der anderen Seite hin zugefügt wird. Wiederum sind die Flächen dieser Kanäle so groß, daß die Gesamtkapazität der beiden Seiten ausgeglichen wird. Jedes Unteroder Überätzen der Anordnung während der Bildung des einen parallelen Kanals wird durch ein gleiches über- und Unterätzen beim anderen Kanal ausgeglichen.
Es wird also eine Ladungsübertragungsanordnung beschrieben, bei der eine verminderte kapazitive Belastung dadurch erreicht wird, daß eine Doppelspaltelektrode (im Gegensatz zur üblichen Einzelspaltelektrode) verwendet wird. Die Ladungsübertragung unterhalb der Doppelspaltelektrode wird durch zwei der Segmente differenziell erfaßt. Der Anteil der Gesamtladung, der sich unter dem dritten Segment befindet, wird gleichzeitig längs übertragen, so daß eine gleichmäßige Ladungsdichte unterhalb der ganzen Elektrode erhalten wird. Diese Anordnung ist besonders für Transversalfilter-Anwendungen geeignet, bei denen bei einem großen Anteil der Elektroden die erfaßte Differenz relativ klein ist.
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Claims (4)

Patentansprüche
1.ILadungsübertragungsanordnung für Transversalfilter und dergl. mit einer Ladungsspeicher-Grundschicht und einer darüber angeordneten dielektrischen Schicht sowie mit einer Vielzahl von aneinander angrenzend über die dielektrische Schicht hin angeordneten Speicherelektroden zur Steuerung der sequentiellen übertragung beweglicher Ladungen längs der Grundschicht unter dem Einfluß anliegender Taktspannungen, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens einige der Speicherelektroden durch in Richtung der Ladungsübertragung verlaufende Spalte in drei Segmente (12F, 12F1, 12F") geteilt sind, und daß nur zwei (12F, 12F1) der jeweils drei Segmente mit Einrichtungen (02, 02'Ϊ zur Erfassung von Differenzen gekoppelt sind.
2. Ladungsübertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Reihe von Endsegmenten (12F, 12H) durch eine Einrichtung (02) un<3 die andere Reihe von Endsegmenten (12F1, 12H1) durch eine weitere Einrichtung
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DR. C. MANITZ · DIPL.-INO. M. FINSTERWAtD β MÖNCHEN 99. ItO(ERT-KOCH-STRASSE I TEU |0β9> 99 42 Il 'TELEX 5-39673 PATMF
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ORIGINAL INSPECTED
(02') zur Erfassung von Differenzen miteinander verbunden sind und daß die Mittelsegmente (12F", 12H") mittels einer Einrichtung (19, 02") zur Nicht-Erfassung verbunden sind, wodurch die Gesamtkapazität der differenzmäßig erfaßten Endsegmente verringert ist.
3. Ladungsübertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht in dünne Gate-Oxidregionen (15) und dicke Feldoxidregionen (16) unterteilt ist, und daß die Grenze dieser Regionen die Begrenzung des Kanals in der Halbleiterschicht (10) bildet, und daß eine örtliche Feldoxidregion (18) unterhalb jedes Spaltes der Speicherelektroden vorhanden ist, wobei die örtliche Feldoxidregion eine schmale Zunge (20) besitzt, die sich nach vorne unter einen Abschnitt der unmittelbar vorhergehenden Speicherelektrode erstreckt, um die Aufteilung der längs des Kanals übertragenen beweglichen Träger weiter zu bestimmen.
4. Ladungsübertragungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Kanal unter jeder Spaltelektrode in Querrichtung verbreitert ist, um die von den örtlichen Feldoxidregionen unterhalb der Spalte herrührende verringerte Breite des Kanals auszugleichen, so daß die Ladungsdichte mindestens unterhalb der erfaßten Abschnitte der Spaltelektroden die gleiche ist wie die unterhalb der nicht gespaltenen Speicherelektroden.
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DE19772755493 1976-12-17 1977-12-13 Ladungsuebertragungsanordnung mit doppelspalt-elektrode Ceased DE2755493A1 (de)

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