DE2922456A1

DE2922456A1 - Charge-transfervorrichtung

Info

Publication number: DE2922456A1
Application number: DE19792922456
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Hagiwara
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1978-06-02
Filing date: 1979-06-01
Publication date: 1979-12-13
Also published as: NL7904406A; CA1138992A; GB2022920B; FR2427663B1; FR2427663A1; GB2022920A; US4242692A

Description

TER MEER · MÜLLER · STEINME'S TER

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- 3 BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Charge-Transfervorrichtung, also ein Halbleiterbauelement zur abschnittweisen Übertragung elektrischer Ladungen, nachfolgend abgekürzt auch als "CCD" bezeichnet (CCD = Charge Coupled Device). Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Chargs-Transfervorrichtung für eine erhöhte Anzahl von Binär- oder Bitstellen im CCD-Element mit einer Möglichkeit zur Änderung der Richtung des Ladungstransfers. Hinsichtlich der Einzelheiten der Gattung solcher Charge-Transfervorrichtungen, von der die Erfindung ausgeht, wird auf den Oberbegriff der Patentansprüche verwiesen.

Wird für eine CCD-Verzögerungsleitung eine hohe Bit-Anzahl gewünscht, so wird - falls die einzelnen Binärspeicherstellen im Verlauf einer geraden Linie angeordnet werden - das Halbleiterchip zu groß und die Auslegung für eine günstige Fertigung wird äußerst schwierig. In diesem Fall wird es in der Regel sogar nötig sein, einen Übertragungskanal zu falten bzw. die Richtung des Ladungstransfers durch Umlenkung zu ändern.

Für Charge-Transfervorrichtungen mit Richtungsänderung des Ladungstransfers wurde bereits der in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte konstruktive Aufbau vorgeschlagen. In den Fig. 1 und 2 ist mit Hinweiszeichen 1 ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps (beispielsweise mit P-Leitfähigkeit), mit 2 ein Kanalbegrenzerbereich hoher Verunreinigungskonzentration vom ersten Leitfähigkeitstyp auf der Oberfläche des Substrats 1 und mit 3 ein Ladungs-

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transferabschnitt bezeichnet, der eine Mehrzahl von Transferbereichen 4 (oder 401), 402) umfaßt, die in Ladungstransferrichtung ausgerichtet sind, in diesem Fall wird die Ladungstransferrichtung durch ei_nen Richtungsänderungsabschnitt 5 um 180 gewendet. Dieser Richtungsänderungsabschnitt 5 besteht aus einem Diffusionsbereich 6 eines zweiten Leitfähigkeitstyps (beispielsweise N-Leitfähigkeit). Jeder der Transferbereiche 4 besteht aus einer Transferelektrode 8 (oder 801, 802), die über eine Isolationsschicht 7 auf dem Substrat 1 ausgebildet sind. Die Transferelektroden 8 werden je abwechselnd mit zweiphasigen Taktimpulsen 01 und 02 beaufschlagt. Durch die Isolationsschicht 7 ist eine Elektrode 9 auf dem Halbleitersubstrat 1 gebildet, der eine stabile Gleichspannung zugeführt wird, um die Spannung des Diffusionsbereiches 6 zwischen den Transferbereichen 401 und 402 neben dem Diffusionsbereich 6 des Richtungsänderungsabschnitts 5 _zu fixieren. Mittels der zweiphasigen Taktimpulse 01 und wird durch den Transferbereich 4 sequentiell eine elektrische Ladung 12 in eine Richtung transformiert und durch die Differenz zwischen den in Fig. 2 mit (a) und (b) bezeichneten Potentialen 10 und 11 im Richtungsänderungsabschnitt 5 gewendet .

Da bei dieser bekannten Charge-Transfervorrichtung der Richtungsänderungsabschnitt 5 durch den Diffusionsbereich 6 gebildet ist, entsteht der Nachteil, daß die vom Richtungsänderungsabschnitt 5 beanspruchte Fläche relativ groß ist, und es wird die mit einer stabilen Gleichspannung versorgte Elektrode 9 erforderlich, um die Spannung im Diffusionsbereich 6 zu fixieren. Folglich ist der Richtungsänderungsabschnitt 5 kompliziert struktiert und schwierig herzustellen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Zuführung der Treiberspannung kompliziert wird. Da ferner die Elektroden 801 oder 802, welche einander zwischen den ausgehenden und

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rückkehrenden Pfaden 3A und 3B des den Richtungsänderungsabschnitt 5 erfassenden Ladungstransferabschnitt 3 entsprechen, mit einer Ein-Bit-Verschiebung versehen sind, muß man die entsprechenden Elektroden 801 oder 802 in den ausgehenden und rückkehrenden Pfaden 3A und 3B schräg zur Verbindungsentfernung zwischen diesen Elektroden führen, und folglich muß die Strecke Al eines zentralen Kanalbegrenzerbereiches eine bestimmte Länge aufweisen. Dadurch wird die Ausbildung der Elektroden 8 kompliziert, und eine Breite ^2 des Diffusionsbereiches 6 muß relativ groß ausfallen. Diese Notwendigkeitenjstören die Integrationsdichte und führen zu schädlichen Charge-Transferverlusten in dem Richtungsänderungsabschnitt 5.

Obwohl nicht dargestellt, ist bereits vorgeschlagen worden, einen Richtungsänderungsabschnitt aus einem CCD zu bilden. In diesem Falle sind die betreffenden Charge-Transferelektroden im Richtungsänderungsabschnitt als Sektoren ausgebildet, um einen etwa halbkreisförmig gestalteten Kanalpfad zu bilden und so die Transfer-Richtung von Ladungen zu ändern. Bei derart ausgebildeten Charge-Transfervorrichtungen erhöht sich die Bit-Anzahl des CCD im Richtungsänderungsabschnitt, und daraus resultiert eine Störung des gesamten Charge-Transfers im Richtungsänderungsabschnitt, und da letzterer relativ viel Platz beansprucht, sinkt wiederum die Packungsdichte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Charge-Transfervorrichtung aufzuzeigen, welche weder einen Diffusionsbereich noch Gleichspannungselektroden od.dgl. benötigt.

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Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist im Patentanspruch 1 bzw. 2 angegeben.

Die erfindungsgemäße ChargeTransfervorrichtung hat u.a. den Vorteil, daß sie einen im Aufbau sehr vereinfachten Richtungsänderungsabschnitt aufweist, und ferner wird die Zuführung einer Treiber-Gleichspannung sehr vereinfacht. Der vollständige Charge-Transfer erfolgt im Richtungsänderungsabschnitt, und dieser benötigt sehr wenig Platz, so daß sich eine hohe Integrations- bzw. Packungsdichte erzielen läßt.

Der Charge-Transferabschnitt einer erfindungsgemäßen CCD- bzw. Charge-Transfervorrichtung besitzt eine als Einzelschicht ausgebildete Transferelektrode und eine sogenannte asymmetrische Potentialquelle unterhalb der Transferelektrode. Ferner ist der Richtungsänderungsabschnitt, wo der Charge-Transfer vom ausgehenden Pfad zum einkommenden Pfad wechselt, aus einem CCD gebildet.

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Nachstehend werden einige die Merkmael der Erfindung aufweisende Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf eine Zeichnung, die auch den Stand der Technik dazu enthält, näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 und 2 eine bereits eingangs beschriebene und dem Stand der Technik entsprechende Charge-Transfervorrichtung in Draufsicht und Querschnitt,

Fig. 3 und 4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Charge-Transfervorrichtung in Draufsicht und Querschnitt,

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Fig. 5 eine Ausschnittsvergrößerung aus Fig. 3,

Fig. 6 einen Querschnitt im Verlauf einer Linie A-A von Fig. 5,

Fig. 7 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 8 eine Draufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 9 eine Querschnittsdarstellung im Verlauf einer Charge-Ίransferrichtung bei den vorstehend genannten Ausführungen,

Fig. 10 eine vergrößerte Draufsicht mit einer Potentialverteilungsdarstellung zu den Ausführungsbeispielen von Fig. 8 und 9,

Fig. 11 eine Draufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Transferelek

trode und

Fig. 12 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei dem in Fig. 3 und 4 dargestellten, aus einem CCD gebildeten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Charge-Transfervorrichtung zeigt Fig. 3 im wesentlichen in einer Draufsicht den Richtungsänderungsabschnitt vom einkommenden zum ausgehenden Pfad und Fig. 4 einen Querschnitt im Verlauf der Charge-Transferrichtung.

Erfindungsgemäß besteht der Kanalbegrenzerbereich 2 aus dem gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat 1, welches beispielsweise P-Leitfähigkeit hat. Die Verunreinigungskonzentration ist im Kanalbegrenzerbereich 2 höher als beim Substrat 1, auf dem eine auf ihrem Weg um 180° geänderte Charge-Transferlinie auf einer Oberfläche mittels

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Diffusion oder dergleichen gebildet ist. Sie ist bandförmig. Mehrere Transferelektroden 8 (8a, 8b ...) sind durch eine aus SiO_ od.dgl. bestehende Isolierschicht 7 parallel zueinander auf der Oberfläche des Substrates 1 gebildet. Sie schneiden gemeinsam die ausgehenden und einkommenden Pfade der durch den Kanalbegrenzerbereich 2 gebildeten Charge-Transferlinie, in deren Verlauf ausgehende Transferbereiche 13A (oder 13A1, 13A2 ...) und einkommende Transferbereiche 13B (oder 13B1, 13B2 ...) angeordnet sind. Gleichzeitig ist in einem gefalteten oder abgebogenen Bereich ein Transferbereich 13C ausgebildet, der einen Richtungsänderungsabschnitt 5 bildet. Da in diesem Fall jede der Transferelektroden 8 die ausgehenden und einkommenden Pfade geradlinig schneidet, liegen die Transferbereiche 13A1, 13B1; 13A2, 13B2; ..., die sich über den Kanalbegrenzerbereich 2 gegenseitig gegenüberliegen und die gleichen Taktimpulse 01 oder 02 erhalten, alle in der gleichen Horizontalebene, wie Fig. 3 zeigt. In den ausgehenden und einkommenden Transferbereichen 13A und 13B sind die Länge L und die Breite D von später beschriebenen Speicherbereichen 14S der Transferbereiche verändert, wo sie sich dem Richtungsänderungsabschnitt nähern, oder die Länge L von 14S ist dort lang bei schmal gehaltener Breite D und konstant gehaltenem Flächeninhalt. Diese Konturenänderung des Speicherbereiches 14S ist zwischen den einkommenden und ausgehenden Seiten in bezug auf den Transferbereich 13C im Richtungsänderungsabschnitt 5 selektiv symmetrisch gehalten. Deshalb ist bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel von Fig. und 4 die Länge der Transferelektroden 8 in Transferrichtung relativ lang gewählt, wo sie sich dem Richtungsänderungsabschnitt 5 nähern, damit die Länge L des Speicherbereiches 14S lang und der Abstand zwischen den Kanalbegrenzerbereichen 2 schmal wird, um die Breite D des Spei-

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cherbereiches 14S schmal zu halten. Weil D so schmal und L so lang gehalten sind, kann auch die Breite des Speicherabschnitts im Richtungsänderungsabschnitt 5 schmal gehalten werden, so daß die Strecke, über welche eine elektrische Ladung mittels Diffusion fließt, bewußt kurz ist. Das ergibt eine kurze Charge-Transferzeit und somit geringe Transferverluste.

Gemäß der in Fig. 5 dargestellten Ausschnittsvergrößerung ist die entsprechende Transferelektrode 8 in jedem der Transferbereiche 13A, 13B und 13C so gestaltet, daß ein sogenannter breiter Abschnitt 15 mit einer senkrecht zur Charge-Transferrichtung gemessenen Breite W1 und ein sogenannter schmaler Abschnitt 16 mit einer schmal gehaltenenen Breite W2 gebildet wird. In den Halbleiterbereichen auf beiden Seiten des schmalen Abschnitts 16, wo keine Elektroden sind, befinden sich die beispielsweise durch Ionenimplantation od.dgl. gebildeten KanaIbegrenzerbereiche 2'. Die schmalen Abschnitte 16 der Transferelektroden 8 verlaufen entgegengesetzt zur Richtung zwischen den einkommenden und ausgehenden Pfaden gemäß Fig. 3. Bei den Transferbereichen 13A, 13B und 13C oind die Potentiale unterhalb der breiten und schmalen Abschnitte 15, 16 asymmetrisch, und der Bereich unterhalb desbreiten Abschnitts 15 bildet den sogenannten Speicherbereich 14S, während der Bereich unterhalb des schmalen Abschnitts 16 als sogenannter Transferbereich 14T dient. Wenn die Taktimpulse 01 oder 02 gemäß Fig. 6 an die Transferelektrode 8 angelegt werden, bildet sich eine tiefe Potentialquelle 17 unter dem breiten Abschnitt 15, also dem Bereich der langen Distanz zwischen den Kanalbegrenzerbereichen, während eine flache Potentialquelle 18 unter dem schmalen Abschnitt 16 ent-

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steht, also dem Bereich des kurzen Abstands zwischen den Kanalbegrenzerbereichen 2'. Ursache ist der Potentialeinfluß der Kanalbegrenzerbereiche 2¹. In diesem Falle ist die Tiefe des Potentials im Bereich unter dem schmalen Abschnitt 16 unterschiedlich jenachdem, ob die Taktspannung zugeführt wird oder nicht. Folglich ist die Potentialverteilung auf der Oberfläche der entsprechenden Transferbereiche 13A₇ 13B und 13C in der Charge-Transferrichtung unterschiedlich auf Vorder- und Rückseite des Transferbereiches und folglieh asymmetrisch.

Der zugehörige Aufbau und ein entsprechendes Herstellverfahren sind in den deutschen Patentanmeldungen P 26 34 312.4 vom 30. Juli 1976 und P 27 46 335.0 vom 14. Oktober 1977 erläutert worden.

Wenn bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel die- zweiphasigen Taktimpulse 01 und 02 jeweils an die übernächsten Transferelektroden 8a, 8b, 8c ... angelegt werden, siehe Fig. 4, dann entsteht auf der Substratoberfläche unterhalb jeder mit dem Taktimpuls 01 oder 02 versorgten Transferelektrode jeweils ein Potential, welches niedriger als unterhalb der benachbarten Transferelektrode ist, aber das Oberflächenpotential unterhalb des schmalen Abschnitts 16 wird dann höher als das unterhalb des breiten Abschnitts der betreffenden Transferelektrode. Die Folge ist, daß der Charge-Transfer an die entsprechenden Transferbereich aufgrund der Asymmetrie der Potentialquelle mit ausgeprägten Richtungseigenschaften erfolgt. Mit anderen Worten: Nahe dem gefalteten Abschnitt erfolgt der Charge-Transfer von den Transfereichen ... -> 13A3 ■> 1 3A2 -♦ 13A1 im ausgehenden Pfad über den Transferbereich 13C in den Richtungsänderungsabschnitt 5 und dann zu den Transferbereichen 13BI* 13B2 ·* 13B3 -f

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Bei dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Transferbereiche jeweils zweiphasig zu betreiben, weil eine Transferelektrode mit einlagigem Aufbau verwendet wird. Die ausgehenden und einkommenden Pfade und auch der Richtungsänderungsabschnitt sind als CCD mit ähnlichem Aufbau gestaltet, so daß im Gegensatz zum Stand der Technik hier weder ein Diffusionsbereich noch Gleichspannungselektroden u.dgl. erforderlich sind. Ferner ist der vom Richtungsänderungsabschnitt beanspruchte Flächenbereich bei der Erfindung sehr klein/ dieser Richtungsänderungsabschnitt ist ferner einfach aufgebaut und läßt sich ganz einfach mittels einer zweiphasigen Taktspannung betreiben. Ferner sind die einzelnen Transferbereiche, insbesondere der Speicherbereich 14S so ausgebildet, daß während die anderen Bereiche im wesentlichen eine konstante Länge L haben, dieser eine besonders groß gewählte Länge L und eine sehr klein gewählte Breite D hat. Ein weiterer Vorteil ist, daß auf den ausgehenden und einkommenden Pfaden die Speicherbereiche 14S symmetrisch sind. Dadurch vermeidet man eine Vergrößerung der effektiven Kanallänge im Richtungsänderungsabschnitt und kann die Übertragungsverluste klein halten.

Da ferner der Richtungsänderungsabschnitt aus einem Transferbereich und erfindungsgemäß durch eine Transferelektrode gebildet wird, können die entsprechenden Elektroden der Transferbereiche auf den ausgehenden und einkommenden Pfaden mit dem Richtungsänderungsabschnitt als Grenze als geradlinige Elektroden hergestellt werden. Die Folge ist ein kleiner Abstand zwischen den ausgehenden und einkommenden Pfaden und eine hohe Packungsdichte in der Charge-Transferleitung eines Halbleiterchip. Folglich

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ermöglicht die Erfindung im Hinblick auf eine Charge-Transfervorrichtung wie einen CCD eine große Bit-Anzahl und dergleichen mit sehr günstigen Auswirkungen.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist der Richtungsänderungsabschnitt 5 durch einen Transferbereich 13C der Transferelektrode 8a gebildet, aber der Richtungsänderungsabschnitt kann aus drei Transferbereichen bestehen, siehe Fig. 7. Hier ist ein Mittelabschnitt 8b¹ der gemeinsamen Transferelektrode 8b zu den Transferbereichen 13A1 und 13B1 neben dem Richtungsänderungsabschnitt 5 zu einem Transferbereich 13C2 erweitert, und die gemeinsame Transferelektrode 8a bildet rechts und links von diesem Transferbereich 13C2 mit letzterem verbundene Transferbereiche 13C1 und 13C3. In diesem Falle dienen alle drei genannten Transferbereiche der Änderung der Charge-Transferrichtung, und sie haben gleiche Fläche und Form. Das Beispiel von Fig. 7 zeigt den gleichen Effekt wie das von Fig. 3. Für den Richtungsänderungsabschnitt 5 kommen auch andere Ausführungen, beispielsweise mehrfach gefaltete Abschnitte in Betracht.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Charge-Transfervorrichtung vom CCD-Typ, bei dem die Charge-Transferrichtung um 90° geändert ist, wird nachstehend in Verbindung mit Fig. 8 und 9 erläutert, wobei Fig. 8 im wesentlichen eine Draufsicht auf den Richtungsänderungsabschnitt und Fig. 9 einen Querschnitt im Verlauf der Charge-Transferrichtung zeigen.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 8 und 9 ist eine größere Oberfläche eines Halbleitersubstrates 101 vom P-Typ mittels Diffusion od.dgl. als Kanalbegrenzerbereich 102 ausgebildet, welcher eine Charge-Transferstreckezur Änderung der

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Charge-Transferrichtung um 90° festgelegt und der ferner vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat 101 ist, aber eine höhere Verunreinigungskonzentration als jener aufweist (Substrat 101 ist in Fig. 8 schraffiert dargestellt). Mehrere Transferelektroden 108 (bzw. 108a, 108b ...) sind durch eine aus SiO₂ oder dergleichen hergestellte Isolationsschicht auf der Oberfläche von Substrat 101 gebildet. In diesem Falle sind die einzelnen Transferelektroden 108a, 108b ... so angeordnet, daß sie den ersten Transferpfad bzw. den gegenüber jenem um 90 abgewinkelten Transferpfad schneiden. Beide befinden sich bei der durch den Kanalbegrenzerbereich 102 gebildeten Charge-Transferlinie und bilden erste und zweite Transferbereiche 113A, 113B. Gleichzeitig ist auf dem um 90 abgebogenen Abschnitt ein Richtungsänderungsabschnitt 105 durch einen Transferbereich 113C gebildet, welcher später beschriebene Transferelektroden 114 von besonderer Form enthält. In den betreffenden Transferbereichen 113A und. 113B sind die Potentiale im Verlauf der Charge-Transferrichtung asymmetrisch bezüglich der Front- und Rückseiten des Transferbereiches verteilt, wie in Verbindung mit Fig. 5 und 6 beschrieben ist.

Die Speicherbereiche 117S der ersten und zweiten Transferbereiche 113A, 113B sind so gestaltet, daß ihre Länge L in Richtung der Charge-Transferrichtung kurz, aber ihre Breite D lang ist (L_-^D), oder jeder von ihnen ist in seiner Breitenausdehnung rechteckig gestaltet. Die betreffenden Transferelektroden 108a und 108b (Fig. 8) sind so gestaltet, daß im Bereich der Breite D jeder von ihnen einen Abschnitt mit großer Breite und mehrere schmale Abschnitte hat. Der Transferbereich 113C des Richtungsänderungsabschnitts 105 besitzt einen Speicherbereich 117S, dessen Breite D' kleiner als die zuvor beschriebene Breite D ist

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(D'-<D) und dessen Länge L¹ größer als die zuvor erwähnte Länge L ist (L^L¹), während dessen Breite D" größer als das entsprechende Maß D des Speicherbereiches 117S ist (D" ^D), während seine Länge L" besonders klein gewählt ist (D" > L") , um den Ladungsabfluß aus dem rückwärtigen Transferbereich 113B entsprechend zu beeinflussen. Der Speicherabschnitt 117S des Transferbereiches 113C im Richtungsänderungsabschnitt 105 besitzt Rechteckform, wenn man ihn vom vorhergehenden Transferbereich 113A aus betrachtet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die Speicherbereiche 117S der einzelnen Transferbereiche 113A, 113B und 113C gleichen Flächeninhalt. Die Transferelektrode 114 im Richtungsänderungsbereich 105 hat einen breiten Breitenabschnitt 115 in Längsrichtung und bildet einen Speicherbereich 117S und mehrere schmale Abschnitte, welche Transferbereiche 117T bilden, die im wesentlichen alle der Breite D des Speicherbereiches 117S zugekehrt sind. In diesem Fall ist der schmale Abschnitt 116, wo die effektive Länge des Transferbereiches 117T groß ist, breit in auf die Transferrichtung zulaufender Richtung. Wie Fig. 10 zeigt, hat das Ausführungsbeispiel von Fig. 8 einen mittleren schmalen Abschnitt 116a unter mehreren schmalen Abschnitten 116, dessen effektive Länge für den Transfer klein ist. Er besitzt eine Breite W2 nahe der Transferrichtung und schmale Endabschnitte 116b mit großer Effektivlänge für den Charge-Transfer. Somit wird W2 groß in Transferrichtung, und die ganze Transfer-Elektrode 114 ist gabelförmig gestaltet.

Der als Speicherbereich 117S benutzte Teil der gabelförmigen Transferelektrode 114 ist in Fig. 10 punktiert dargestellt, und der Rest dient als Transferbereich 117T. Bei dem wie oben geschildert gestalteten Ausführungsbeispiel

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fließt die übertragene Ladung schnell zum nächsten Speicherbereich aufgrund eines elektrischen Feldeffektes. Folglich liegt ein Potential P1 unterhalb dem schmalen zentralen Abschnitt 116a von gleicher Breite auf einem gleichen Pegel über der Effektivlänge des Transferbereiches und vertieft sich scharf bei Erreichen des Speicherbereiches 117S. Andererseits vermindert sich das Potential unterhalb der schmalen Abschnitte 116b, die in Richtung der Transferrichtung breit werden, aufgrund des geringeren Einflusses durch den Kanalbegrenzerbereich 102' zu beiden Seiten in bezug auf die Transferrichtung, und folglich erfolgt ein schneller und effektiver Ladungstransfer zum Speicherbereich. Deshalb wird bei dem in Fig. 8 dargestellten Richtungsänderungsabschnitt 105 ohne Rücksicht darauf, ob die Effektivlänge des Transferbereiches lang oder kurz ist, die Ladung über die gesamten Breite D des zuvor genannten Speicherbereiches zum hinteren Speicherbereich schnell übertragen.

Bei der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Charge-Transfervorrichtung wird, wenn die zweiphasigen Taktimpulse 01 und 02 an die entsprechenden Transferelektroden 108a, 114 und 108b abwechselnd angelegt werden, wie Fig. 9 zeigt, das Potential auf der Oberfläche des Substrates 101 unter der Transferelektrode, welche die Taktimpulse erhält, niedriger sein als unterhalb der jeweils anderen Transferelektrode, aber das Oberflächenpotential des Substrates 101 wird unter dem schmalen Abschnitt 116 jeder Transferelektrode höher liegen als unter dem breiten Abschnitt 115. Folglich erfolgt ein gerichteter Charge-Transfer aufgrund der Asymmetrie der Potentialquelle. Mit Hilfe der gabelförmigen Transferelektrode 114 erfolgt der Ladungstransfer vom ersten Transferbereich 113A zum Transferbereich 113C des Richtungsänderangsabschnitts 105 ohne Ubertragungsverluste, wie oben

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erwähnt, und der Charge-Transfer vom Transferbereich 113C zum zweiten Transferbereiche 113B erfolgt mit sehr gutem Wirkungsgrad, weil der Speicherbereich 117S von beiden Bereichen 113C und 113B so gestaltet ist, daß ihre Längen in Transferrichtung kurz und ihre Breitenausdehnungen groß sind. Somit wird die Ladung E vom ersten Transferbereich 113A über den Transferbereich 113C des Riehtungsanderungsabschnitts 105 unter Umlenkung um 90 zum zweiten Transferbereich 113B übertragen.

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Beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel können sowohl der erste und zweite Ubertragungsbereich 113A und 113B als auch der Richtungsänderungsabschnitt 105 aus CCDs gebildet sein, und die elektrische Ladung kann mit 1 Bit in ihrer übertragungsrichtung um 90 umgelenkt werden, so daß sich ein einfach aufgebauter Richtungsänderungsabschnitt 105 ergibt, der wenig Platz beansprucht und die elektrische Ladung vollständig überträgt.

Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf eine gabelförmige Transferelektrode. Die Grundidee der Erfindung liegt vielmehr darin, daß zwecks Einwirkung des elektrischen Feldeffektes auf die über einen langen Übertragungsbereich zwischen vorderen und hinteren Speicherbereichen übertragene elektrische Ladung der schmale Abschnitt der rückseitigen Transferelektrode in Transferrichtung breiter wird. Dadurch vermeidet man eine Übertragungsverzögerung. Folglich hat eine beispielsweise in Fig. 11 dargestellte Transferelektrode einen schmalen Abschnitt 116, eier in Transferrichtung breit wird. Sie läßt sich als erfindungsgemäße Transferelektrode verwenden. Sie kann auch, obwohl nicht dargestellt, mehrere schmale Abschnitte haben, von denen jeder in Transferrichtung verbreitert ist.

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Fig. 8 zeigt die erfindungsgemäße Grundsatz-Ausführung für eine Änderung der Ladungsübertragungstrecke um 90°. Werden mehrere zuvor beschriebene Ausführungsbeispiele kombiniert, dann läßt sich bei minimaler Bit-Anzahl die Übertragungsrichtung beispielsweise um 180° umlenken.

Fig. 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Charge-Transfervorrichtung, bei der die Ladungstransferrichtung um 180° gewendet ist. Soweit deren Einzelheiten mit denen von Fig. 8 und 9 übereinstimmen, tragen sie gleiche Bezugszahlen. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 12 sind mehrere Transferelektroden 108 (108a bis c) parallel zueinander auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats eines ersten Leitfähigkeitstyps durch eine aus SiO^ od.dgl.

hergestellte Isolierschicht angeordnet und schneiden dabei gemeinsam ausgehende und einkommende Pfade der Charge-Transferleitung, die auf ihrem Weg über den Kanalbegrenzerbereich 102 um 180° gefaltet ist und auf diese Weise ausgehende Transferbereiche 120A (120A1, 120A2, 120A3, ...) und einkommende Transferbereiche 120B (120B1, 120B2, 120B3, ...) bildet. Daneben wird der Richtungsänderungsabschnitt 105 durch Transferbereiche 120C (120C1, 120C2, 120C3 ...) gebildet, die aus mehreren Transferelektroden 1141 bis 1145 bestehen. Da jede der Trasnferelektroden 108 die ausgehenden und einkommenden Pfade gerade schneidet, erhält jedes einander gegenüberliegende Transferbereich-Paar 120A1,

120B1; 120A2, 120B2; die gleiche Taktspannüng 01 oder 0,

und sie liegen in der gleichen Horizontalebene. Im Richtungsänderungsabschnitt 105 befinden sich zwei bzw. eine erste und zweite gabelförmige Transferelektrode 1141 und 1143, und sie sind so ausgebildet, daß die erste gabelförmige Transferelektrode 1141 dem ausgehenden Transferbereich 120A1 rechtwinklig gegenüberliegt und mit diesem verbunden ist, während die Transferelektrode 1142 parallel dazu, aber rückseitig

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angeordnet ist. Die zweite gabelförmige Transferelektrode

1143 liegt rückseitig von der Transferelektrode 1142 und rechtwinklig dazu bzw. parallel zum einkommenden Transferbereich 120B1. In dieser Anordnung verlaufen die Transferelektroden 1144 und 1145 parallel zur zweiten gabelförmigen Transferelektrode 1143, und die letzte Transferelektrode 1145 ist mit dem einkommenden Transferbereich 120D1 verbunden. Dabei sind die jeweiligen Transferelektroden 1142,

1144 und 1145 von ähnlichem Aufbau wie die ausgehenden und einkommenden Transferelektroden 108. Im Transferbereich bei Annäherung an den Richtungsänderungsabschnitt 105 sind Länge L und Breite W ihrer Speicherbereiche 117S verändert bzw. die Länge L ist groß und die Breite W klein bei gleichem Flächeninhalt. Insbesondere im Transferbereich 120C1, wo die erste gabelförmige Transferelektrode 1141 liegt, ist die Länge L des Speicherabschnitts des vorhergehenden Transferbereiches 120A1 kleiner als dessen Breite D (L ^ D), während die Länge L des Speicherbereiches des hinteren Transferbereiches 120C1 größer als seine Breite D ist (L >D) .

Wenn beim Ausführungsbeispiel von Fig. 12 jeweils jeder zweiten Transferelektrode die zweiphasige Taktspannung 01 und 02 zugeführt wird, wird die elektrische Ladung im ausgehenden Transferbereich 120A durch den Transferbereich 120C1 der ersten gabelförmigen Transferelektrode 1141 um 90° gewendet und durch den Transferbereich 120C3 der zweiten gabelförmigen Transferelektrode 143 und den Transferbereich 120C4 noch/einmal um 90° gewendet. Folglich wird sie vom ausgehenden Transferbereich 120A durch den Richtungsänderungsabschnitt 105 um 180 gewendet und erreicht danach den einkommenden Transferbereich 120B.

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Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 12 erfolgt die Wendung der Charge- bzw. Ladungs-Transferrichtung über 180° mit 2,5 Bits. Die vom Richtungsänderungsabschnitt beanspruchte Fläche ist gering, und die Ladungsübertragungsverluste im Richtungsänderungsabschnitt lassen sich vermeiden.

Bei den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist es möglich, zweiphasig angesteuerte Transferbereiche mit einlagig aufgebauten Transferelektroden zu erzielen. Dabei sind sowohl der eine als auch der andere Transferpfad und ferner der Richtungsänderungsabschnitt aus ähnlichen CCDs aufgebaut, so daß sich ein sehr vereinfachter Aufbau des Richtungsänderungsabschnitts ermöglichen und eine einfache Zuführung der Treiberspannung erzielen läßt, da eine zweiphasige Taktspannung verwendet wird. Ferner sind im Richtungsänderungsabschnitt die zugehörigen Transferelektroden so gestaltet, daß ihre Breite selektiv klein und ihre Länge selektiv groß in bezug auf den Ladungsstrom in ihnen ist. Die schmalen Abschnitte des langen Abschnitts des Transferbereiches befinden sich auf der Rückseite des vorangehenden Speicherbereiches, und die verwendete Gabelform wird breit in der Übertragungsrichtung. Diese gabelförmige Transferelektrode verläuft senkrecht zu der rechteckigen Transferelektrode der vorhergehenden Stufe in Horizontalrichtung und parallel zur rechteckigen Transferelektrode der rückseitigen bzw. nachfolgenden Stufe. Auf diese Weise läßt sich die Transferrichtung der Ladung in Verbindung mit einer minimalen Bit-Anzahl vollständig um 90° und 180° wenden bzw. umlenken. Damit läßt sich die vom Richtungsänderungsabschnitt beanspruchte Fläche klein halten und die Packungsdichte der Ladungsübertragungsleitung in einem Halbleiterchip wesentlich vergrößern. Somit erzielt man mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Charge-Transfervorrichtung beispielsweise in einer CCD-Über-

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TER M^ER · MÜLLER · STEINME'SrER '

Sony Corp. S79P74

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tragungsleitung eine große Bit-Anzahl.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwar als Oberflächenkanal-Charge-Transfervorrichtung ausgebildet, kann aber auch als Charge-Transfervorrichtung mit versenktem Kanalbereich ausgestaltet sein mit gleich guten Ergebnissen.

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Claims

PATENTANWÄLTE

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

Beim Europäischen Palentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Patent Office
Mandaiaires agrees pres !Office european des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl -Ing. H. Steinmeister

Dipl.-lng, F. E. Müller Siekerwall 7,
Triftstrasse 4,

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

S79P74 1. Juni 1979

Mü/Gdt/vL

SONY CORPORATION
Tokyo/Japan

Charge-Transfervorrichtung

Priorität: 2. Juni 1978, Japan, Ser.Nr. 66561/1978

PATENTANSPRÜCHE

Charge-Transfervorrichtung auf Halbleiterbasis mit

- einer Mehrzahl von Ladungstransferbereichen mit je
einer ausgerichteten Transferelektrode,

- einem im Weg der Ladungstransferbereiche angeordneten Richtungsänderungsabschnitt zur Änderung der Richtung des Ladungstransfers und

- einem der Mehrzahl der Ladungstransferbereiche gemeinsam zugeordneten Kanalbegrenzerbereich zur Ausbildung asymmetrischer beim Ladungstransfer wirksamer Potentiale in Transferrichtung der jeweiligen Ladungstrans-

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Sharp K.K. TER MEER ■ MÜLLER · STEINMEISTEP S79P74

ferbereiche unter dem Einfluß des Potentials des Kanalbegrenzerbereichs ,

dadurch gekennzeichnet, daß die Transferbereiche (13C ...) einen Speicherbereich (14S) einschließen, der in der Nähe des Richtungsänderungsabschnitts (5) im Verlauf der Transferrichtung in Längsrichtung vergleichsweise lang und in Breitenrichtung vergleichsweise schmal ausgebildet ist.
2. Charge-Transfervorrichtung auf Halbleiterbasis mit

- einer Mehrzahl von Ladungstransferbereichen mit je einer ausgerichteten Transferelektrode,

- einem im Weg der Ladungstransferbereiche angeordneten Richtungsänderungsabschnitt zur Änderung der Richtung des Ladungstransfers und

- einem der Mehrzahl der Ladungstransferbereiche gemeinsam zugeordneten Kanalbegrenzerbereich zur Ausbildung asymmetrischer beim Ladungstransfer wirksamer Potentiale in Transferrichtung der jeweiligen Ladungstransferbereiche unter dem Einfluß des Potentials des Kanalbegrenzerbereichs,

gekennzeichnet durch eine in Verbindung mit dem Richtungsänaderungsabschnitt (105) ausgebildete Elektrode (114) mit einem in Transferrichtung breiter werdenden Abschnitt derart, daß der Ladungsübertragbereich eines Transferbereichs mit einem Feldeffekt beaufschlagt wird, dessen Länge zwischen dem Speicherabschnitt des Übertragbereichs und dem Richtungsänderungsabschnitt vergleichsweise groß wird (Fig. 8, 9, 10).

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