DE3544450C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
In der letzten Zeit wurden Infrarot-Bildempfänger entwickelt, die eine Kombination eines Infrarotstrahlen-Empfängers vom Quantentyp und ladungsgekoppelten Siliziumbauelementes aufwiesen. Solche Infrarot-Bildempfänger werden normalerweise bei niedrigen Temperaturen wie der Temperatur des flüssigen Stickstoffes (77K) verwandt, damit der Dunkelstrom des Infrarotstrahlen-Empfängers verringert wird und ein ausreichendes Signal-zu-Rausch-Verhältnis erzielt wird. Folglich müssen solche ladungsgekoppelten Halbleiterbauelemente (CCD), die solche Bildempfänger darstellen, ebenfalls bei niedrigen Temperaturen betrieben werden. Normalerweise wird als ein CCD, das für solche Bildempfänger benutzt wird, ein CCD mit vergrabenem Kanal (buried-channel CCD, im folgenden BCCD) benutzt, das exzellente Eigenschaften wie Hochgeschwindigkeitsbetrieb, hohe Übertragungseffektivität und geringes Rauschen aufweist. Solch ein BCCD ist z. B. in Bell Syst. Tech. J. Band 51 (1972) Seiten 1635-1640 von R. H. Waldem et al. veröffentlicht.
Fig. 1(a) zeigt eine Draufsicht eines konventionellen n-Kanal-BCCD vom Vier-Phasen-Takt, und Fig. 1(b) zeigt eine Schnittansicht, die entlang der Linie A-A in Fig. 1(a) genommen ist. Zuerst soll die Anordnung des in Fig. 1(a) und 1(b) gezeigten ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementes beschrieben werden. In Fig. 1(b) ist zu sehen, wie ein n-Typ-Störstellen-Bereich 120 auf einem p-Typ-Silizium-Substrat (Trägerschicht) 130 gebildet ist, die Störstellenkonzentration dieses Bereiches 120 ist normalerweise ungefähr zehnmal höher wie die Störstellenkonzentration des p-Typ-Siliziumsubstrates 130. Auf dem n-Typ-Störstellenbereich 120 ist eine dünne Gate-Oxidschicht 110 gebildet, und auf der Gate-Oxidschicht 110 ist eine Mehrzahl von Gate-Elektroden 21, 31, 41, 51, 22, 32, 42 und 52 in vorbestimmten Intervallen gebildet. Zusätzlich wird, wie in Fig. 1(a) gezeigt, ein Übertragungskanalbereich 10 zum Übertragen einer Signalleitung abgegrenzt, in dem normalerweise eine dicke Siliziumoxidschicht oder ein p-Typ-Bereich von hoher Störstellenkonzentration in den äußeren Bereichen des Substrates vorgesehen wird. Zu den Gate-Elektroden 21 und 22 wird ein Taktsignal der ersten Phase durch eine Takt-Sammelleitung (Bus) 70 zugeführt; zu den Gate-Elektroden 31 und 32 wird ein Taktsignal der zweiten Phase durch eine Taktbusleitung 80 zugeführt; zu den Gate-Elektroden 41 und 42 wird ein Taktsignal der dritten Phase durch eine Taktbusleitung 90 zugeführt und zu den Gate-Elektroden 51 und 52 wird ein Taktsignal der vierten Phase durch eine Taktbusleitung 100 zugeführt.
Im folgenden soll der Betrieb des in den Fig. 1(a) und 1(b) gezeigten ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementes beschrieben werden. In dem oben beschrieben n-Kanal-BCCD ändert sich ein Potential für die Elektronen in dem n-Typ-Störstellen-Bereich 120 unter den betreffenden Gate-Elektroden in Abhängigkeit von dem Gate-Potential. Wenn sich das Gate-Potential erhöht, erniedrigt sich das Elektronenpotential in dem n-Typ-Störstellenbereich 120 und erreicht einen Minimalwert. Die Phasen der Taktsignale der ersten, zweiten, dritten und vierten Phase, die durch die betreffende Taktbusleitung 70, 80, 90 und 100 angelegt werden, weichen um π/4 voneinander ab, so daß immer mehr als eine Phase auf einem hohen Potential ist. Wenn die Phasen der Taktsignale aufeinander in der Reihenfolge erster Takt → zweiter Takt → dritter Takt → vierter Takt aufeinanderfolgen, wird eine Signalladung in der Richtung des in Fig. 1(a) gezeigten Pfeiles übertragen.
In so einem oben beschriebenen BCCD erhöhen sich bei einer niedrigen Temperatur, die zum Betrieb des Infrarot-Bildempfängers ungefähr bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffes liegt, rasch die Übertragungsverluste mit der fallenden Temperatur, wie im Japanese Journal of Applied Physics, Band 22, Nr. 6 (1983), Seiten 975-980 gezeigt wurde. Fig. 2 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Temperatur und dem Übertragungsverlust in einem konventionellen BCCD zeigt, die Ordinate zeigt den Übertragungsverlust und die Abszisse die Temperatur. Solch eine Erhöhung des Übertragungsverlustes wird durch den Einfang von Ladungsträgern an ein Störstellenniveau in dem n-Typ-Störstellenbereich 120 verursacht, d. h., ein Einfrierphänomen der Ladungsträger. Daher verschlechtert sich in einem konventionellen BCCD die Übertragungseffektivität bei einer niedrigen Temperatur wegen solch eines Einfrierphänomens, das ein ernstes Hindernis bei der Erhöhung der Bildelemente eines Bildempfängers darstellt.
Aus der US-PS 43 62 575 ist ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit vergrabenem Kanal bekannt, das als Begrenzung von Ladungsübertragungskanälen in Richtung senkrecht zu der Ladungsübertragungsrichtung aufeinanderfolgend einen Bereich mit niedriger Störstellenkonzentration und einen Bereich mit hoher Störstellenkonzentration aufweist, die sich jeweils parallel zu der Ladungsübertragungsrichtung erstrecken.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement (CCD) der eingangs genannten Art vorzusehen, das eine verbesserte Effektivität der Ladungsübertragung bei niedrigen Temperaturen ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement der eingangs beschriebenen Art das durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet ist.
Nach einer Weiterbildung des ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementes ändert sich die Störstellenkonzentration des Kanalbereiches entlang einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in der eine Ladung übertragen wird, ändert.
Nach einer anderen Weiterbildung des ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementes ändert sich die Dicke der gate-isolierenden Schicht entlang einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in der eine Ladung übertragen wird, ändert.
Weitere Weiterbildungen des ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
Eine vorteilhafte Wirkung des ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementes ist, daß bei Änderung des Potentials des Ladungsübertragungs-Kanalbereiches entlang der Richtung senkrecht zu der Ladungsverschiebungsrichtung ein elektrisches Feld in dem Kanalbereich in dieser senkrechten Richtung stark gemacht werden kann, und die Emissionszeitkonstante zur Emission von in einem Störstellenniveau des Kanalbereichs eingefangenen Ladungsträgern kann klein gemacht werden.
Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigt
Fig. 1(a) eine Aufsicht eines konventionellen BCCD;
Fig. 1(b) einen Querschnitt des in Fig. 1(a) gezeigten BCCD entlang der Linie A-A;
Fig. 2 ein die Abhängigkeit des Übertragungsverlustes von der Temperatur zeigendes Diagramm für einen konventionellen BCCD;
Fig. 3 die Aufsicht auf ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit vergrabenem Kanal (BCCD);
Fig. 4(a) einen Querschnitt des in Fig. 3 gezeigten BCCD entlang der Linie B-B;
Fig. 4(b) ein zu dem in Fig. 4(a) gezeigten Querschnitt gehöriges Elektronenpotential in der Kanalregion;
Fig. 5 ein Potential für ein Haftstellen-Niveau (trap-Niveau) in einem BCCD;
Fig. 6(a) einen Querschnitt eines BCCD einer anderen Ausführungsform;
Fig. 6(b) ein zu dem in Fig. 6(a) gezeigten Querschnitt gehöriges Elektronenpotential in dem Kanalbereich.
Der in Fig. 4(a) gezeigte Querschnitt ist in der Richtung senkrecht zu der Richtung, in der Ladungen übertragen werden, wie durch den Pfeil in der Figur angedeutet ist. Die in den Fig. 3 und 4(a) gezeigte Ausführungsform ist die gleiche wie die des in den Fig. 1(a) und 1(b) gezeigten BCCD, mit Ausnahme der unten beschriebenen Punkte. Das heißt, eine Mehrzahl von n-Typ-Störstellenbereichen 121 mit einer hohen Störstellenkonzentration und eine Mehrzahl von n-Typ-Störstellenbereichen 140 mit einer niedrigen Störstellenkonzentration sind abwechselnd auf einem p-Typ-Siliziumsubstrat 130 entlang der Richtung senkrecht zu der Ladungsverschiebungsrichtung gebildet. Wie in Fig. 3 gezeigt, erstrecken sich die jeweiligen Störstellenbereich 121 und 140 parallel zu der Richtung der Ladungsverschiebung und haben gleichmäßige Breiten. Ein Ladungsübertragungskanal 10 ist durch einen dicken Siliziumoxidfilm 150 abgegrenzt, der auf dem p-Typ-Siliziumsubstrat 130 wie in Fig. 4(a) gezeigt gebildet ist.
Nun soll der Betrieb der in den Fig. 3 und 4(a) gezeigten Ausführungsform beschrieben werden. Da die in Fig. 4(a) gezeigten n-Typ-Störstellenbereiche 121 von einer hohen Störstellenkonzentration und die n-Typ-Störstellenbereiche 140 von einer niedrigen Störstellenkonzentration abwechselnd parallel zueinander gebildet sind, wird das Elektronenpotential im Kanal tief unter den n-Typ-Störstellenbereichen 121 von einer hohen Störstellenkonzentration und wird flach unter den n-Typ-Störstellenbereichen 140 von einer niedrigen Störstellenkonzentration, wie es in Fig. 4(b) gezeigt ist. Daher ändert sich in dem BCCD dieser Ausführungsform des Elektronenpotential entlang der Richtung senkrecht zu der Ladungsverschiebungsrichtung, und als Folge wird das elektrische Feld in dem Kanalbereich 10 in dieser senkrechten Richtung stark.
Wie oben beschrieben, wird eine Verschlechterung der Übertragungseffektivität in der Nähe der Temperatur vom flüssigen Stickstoff, bei der ein Infrarot-Bildempfänger betrieben wird, durch Einfang von Ladungsträgern auf das Störstellenniveau in den n-Typ-Störstellenbereichen verursacht, das bedeutet ein Einfrieren der Ladungsträger. Solche Verschlechterung kann jedoch durch das Verringern der Emissionszeitkonstante zur Emission von Ladungsträgern von den Störstellenniveaus verhindert werden. Insbesondere verschlechtert eine von dem Störstellenniveau während des Ladungsübertragungsvorganges, wie auf ein größeres Signal anzuwenden, emittierte Ladung nicht die Übertragungseffektivität, und daher ist es zum Verbessern der Übertragungseffektivität vorteilhaft, die Zeit der Emission von Ladungsträgern von dem Störstellenniveau zu verringern, damit werden soviel in dem Störstellenniveau gefangene Ladungsträger wie möglich in einer kurzen Zeit emittiert, und diese Ladungsträger werden dem größeren Signal zugeführt. Die Emissionszeitkonstante τe von einem Energieniveau zum Einfangen von Ladungsträgern, also von einer Haftstelle (trap), wird im allgemeinen durch die folgenden Gleichung gegeben:
τe = [ρ · Vth · Nc exp (-Et/kT)]-1 (1)
wobei ρ der Einfangquerschnitt der Haftstelle ist; Vth die mittlere thermische Geschwindigkeit ist; Nc die effektive Zustandsdichte ist; Et ein Energieniveau für die Haftstelle (gemessen von dem Leitungsband) ist; k die Boltzmann-Konstante ist und T die Temperatur ist.
Es ist von Gleichung (1) verständlich, daß die Emissionszeitkonstante Te eine stark von Et abhängige Funktion ist. Damit Te verkürzt wird, ist es wirksam, Et zu verringern.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm zum Erklären des wirksamen Verringerns von Et in einem starken elektrischen Feld. Wenn es kein elektrisches Feld in dem Kanalbereich gibt, existiert eine Potentialbarriere wie durch das Bezugszeichen 400 in Fig. 5 gezeigt ist, zu der Zeit der Elektronen-Emission, die bei dem Störstellenniveau eingefangen sind, das heißt, bei dem Donator-Niveau 600. Das Niveau der Haftstelle ist in diesem Fall Et, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Wenn es ein äußeres elektrisches Feld εEF, Bezugszeichen 700, in dem Kanalbereich gibt, wird das Potential in diesem Bereich, wie durch das Bezugszeichen 500 gezeigt ist; und die Barriere in Feldrichtung ist um einen Betrag ΔEt auf Et′ erniedrigt. Die Erniedrigung ΔEt der Barriere wird durch die folgende Gleichung dargestellt:
wobei q die Ladung eines Elektrons und εSI die Dielektrizitätskonstante des Siliziums ist.
Folglich wird in der in der Fig. 3 und 4(a) gezeigten Ausführungsform des BCCD ein elektrisches Feld, das auf der Potentialänderung in dem Kanalbereich beruht, entlang der Richtung senkrecht zu der Ladungsverschiebungsrichtung angelegt, und zwar zusätzlich zu dem elektrischen Feld, das in der Ladungsverschiebungsrichtung wie in einem konventionellen BCCD angelegt ist. Daher wird das Haftstellenniveau erniedrigt und die Emissionszeitkonstante der Ladungsträger verringert, dieses dient zur Verbesserung der Übertragungseffektivität des BCCD bei einer niedrigen Temperatur.
Fig. 6(a) zeigt eine Schnittansicht eines BCCD einer anderen Ausführungsform. Der in Fig. 6(a) gezeigte BCCD ist der gleiche, wie der in Fig. 6(a) gezeigte BCCD, mit Ausnahme des folgenden Punktes. Auf einem n-Typ-Störstellenbereich 120 mit einer gleichmäßigen Störstellenkonzentration sind dicke Gate-Oxidfilme 111 und dünne Gate-Oxidfilme 430 abwechselnd entlang der Richtung senkrecht zu der Ladungsverschiebungsrichtung gebildet, und über diesen Gate-Oxidschichten 111 und 340 ist eine Gate-Elektrode 220 gebildet. Daher wird das Elektronenpotential in dem Kanalbereich tief unter den dicken Gate-Oxidschichten 111 und flach unter den dünnen Gate-Oxidschichten 340, wie in Fig. 6(b) gezeigt. In dem BCCD dieser Ausführungsform ändert sich das Elektronenpotential auch entlang der Richtung senkrecht zu der Ladungsverschiebungsrichtung und folglich wird das elektrische Feld in dieser senkrechten Richtung in dem Kanalbereich stark, und die Emissionszeitkonstante der Ladungsträger von dem Störstellenniveau wird klein, wodurch die Übertragungseffektivität des BCCD bei einer niedrigen Temperatur verbessert wird.
Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform ein BCCD im Vier-Phasen-Takt benutzt wurde, können auch BCCDs mit einem anderen Antriebssystem verwandt werden, und es kann der gleiche Effekt wie in der oben beschriebenen Ausführungsform erzielt werden.
Obwohl in den oben beschriebenen Ausführungsformen die n-Typ-Störstellenbereiche 121 von einer hohen Störstellenkonzentration und die n-Typ-Störstellenbereich 140 von einer niedrigen Störstellenkonzentration, die eine Potentialänderung in dem Kanalbereich verursachen, sich jeweils parallel zu der Ladungsverschiebungsrichtung erstrecken und eine gleichmäßige Breite haben, können die n-Typ-Störstellenbereiche von einer beliebigen brauchbaren Form sein und brauchen sich nicht hintereinander zu erstrecken, solange es eine Mehrzahl von Maxima und eine Mehrzahl von Minima in dem Potential innerhalb eines beliebig gewählten Querschnittes senkrecht zu der Ladungsverschiebungsrichtung in dem Kanal gibt. Weiterhin können auch die gleichen Effekte wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen erzeugt werden, wenn solche Maxima und Minima jeweils verschiedene Werte aufweisen.
Obwohl in den oben beschriebenen Ausführungsformen der Fall eines n-Kanal-BCCD als Beispiel genommen wurde, können weiterhin vollständig die gleiche Strukturen auch in dem Fall eines p-Kanal-BCCD hergestellt werden, und in diesem Fall können ebenfalls dieselben Effekte, wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen erzielt werden.
Obwohl weiterhin in den oben beschriebenen Ausführungsformen die Störstellenkonzentration des Übertragungskanalbereiches oder die Dicke der dünnen Gate-Oxidschichten sich schrittweise entlang der Richtung senkrecht zu der Ladungsverschiebungsrichtung ändern, können sich die Störstellenkonzentration oder die Schichtdicken kontinuierlich verändern, so daß der gleiche Effekt wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen erreicht werden kann.

Claims (11)

1. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit vergrabenem Kanal mit einer Halbleiterträgerschicht (130) von einem ersten Leitungstyp, einem auf der Halbleiterträgerschicht (130) vom ersten Leitungstyp gebildeten Halbleiterbereich (121, 140; 120) von einem zweiten dem ersten entgegengesetzten Leitungstyp, einem Kanalbereich (10) zum Übertragen von Ladungen in dem Halbleiterbereich (121, 140; 120) vom zweiten Leitungstyp, einer auf dem Halbleiterbereich (121, 140; 120) vom zweiten Leitungstyp gebildeten Gat-isolierenden dünnen Schicht (110, 111, 340) und
einer Mehrzahl von auf der Gate-isolierenden dünnen Schicht (110, 111, 340) gebildeten Gate-Elektroden (21, 31, 41, 51, 22, 32, 42, 52; 220),
dadurch gekennzeichnet, daß Maßnahmen zur Änderung des Potentials innerhalb des Kanalbereiches (10) entlang einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in der eine Ladung übertragen wird, getroffen sind.
2. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Störstellenkonzentration des Kanalbereiches (10) entlang einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in der eine Ladung übertragen wird, ändert.
2. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Störstellenkonzentration des Kanalbereiches (10) als Folge der Bildung einer Mehrzahl von Kanalbereichen mit einer hohen Störstellenkonzentration (121) und einer Mehrzahl von Kanalbereichen mit einer niedrigen Störstellenkonzentration (140) abwechselnd entlang der Richtung senkrecht zu der Richtung, in der eine Ladung übertragen wird, in Stufen ändert (Fig. 3 und 4).
4. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kanalbereiche mit hohen Störstellenkonzentration (121) und die Kanalbereiche mit niedrigen Störstellenkonzentration (140) jeweils parallel zu der Richtung, in der eine Ladung übertragen wird, erstrecken und im wesentlichen gleichmäßigen Breiten haben.
5. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Störstellenkonzentration in dem Kanalbereich (10) kontinuierlich ist.
6. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dicke der gate-isolierenden, dünnen Schicht entlang der Richtung senkrecht zu der Richtung, in der eine Ladung übertragen wird, ändert.
7. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dicke der gate-isolierenden, dünnen Schicht als Folge der Bildung einer Mehrzahl von dickeren gate-isolierenden, dünnen Schichten (111) und einer Mehrzahl von dünneren gate-isolierenden, dünnen Schichten (340) abwechselnd entlang der Richtung senkrecht zu der Richtung, in der eine Ladung übertragen wird, in Stufen ändert (Fig. 6).
8. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die dickeren gate-isolierenden, dünnen Schichten (111) und die Mehrzahl dünneren gate-isolierenden, dünnen Schichten (340) jeweils parallel zu der Richtung, in der eine Ladung übertragen wird, erstrecken und jeweils im wesentlichen gleichmäßige Breiten haben.
9. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Dicke der gate-isolierenden, dünnen Schicht (110) kontinuierlich ist.
10. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Gate-Elektroden (21, 31, 41, 51, 22, 32, 42, 52; 220) zum Betrieb im Vier-Phasen-Takt ausgebildet sind.
11. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellenkonzentration des Halbleiterbereiches vom zweiten Leitungstyp (121, 140; 120) höher ist als die Störstellenkonzentration der Halbleiterträgerschicht vom ersten Leitungstyp (130).
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