DE3738025C2 - Ladungsverschiebungs-Bauelement - Google Patents

Ladungsverschiebungs-Bauelement

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Description

Die Erfindung betrifft ein Ladungsverschiebungs-Bauelement gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 wie es beispielsweise aus der Schrift JP 61001055 A in Patent Abstracts of Japan bekannt ist. Sie betrifft insbesondere einen ladungsgekoppelten Speicher, zum Beispiel zur Verwendung in einem Halbleiter-Bildaufnahmeelement.
Ein konventionelles Ladungsverschiebungs-Bauelement ist ein ladungsgekop­ pelter Speicher (CCD). Ein solches Speicherelement ist mit seinen wichtigsten Teilen in den Fig. 1 und 2 gemäß einem firmeninternen Stand der Technik gezeigt.
In diesen Figuren bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein P-leitendes Silicium­ substrat, das mit einem Eingangsteil (nicht gezeigt) versehen ist, sowie einen Ladungsübertragungsteil 2 zur Übertragung von durch den Eingangsteil zuge­ führten Signalladungen und einen Ladungsdetektionsteil 3 zur Erfassung der über den Ladungsübertragungsteil 2 geführten Ladungen aufweist. Auch wenn der Eingangsteil in den Figuren nicht dargestellt ist, soll vorausgesetzt werden, daß er so ausgelegt ist, daß die Signalladungen zu dem Ladungsübertragungsteil 2 geführt werden.
Der Ladungsübertragungsteil 2 ist so gestaltet, daß die Signalladungen mittels symmetrischer Zweiphasentaktpulse ø1 und ø2 übertragen werden. Dazu ist im einzelnen als Teil der in den Fig. 1 und 2 gezeigten CCD auf dem P-leitenden Siliciumsubstrat 1 eine Zwischengateschicht 4T aus N--leitendem Material, eine Speichergateschicht 4S aus N-leitendem Material, eine Zwischen­ gateschicht 5T aus N--leitendem Material und eine Speichergateschicht 5S aus N-leitendem Material gebildet, die als Übertragungsweg für die Signalladungen dienen. Diese Zwischengateschichten sind sequentiell in der genannten Rei­ henfolge ausgebildet. Außerdem befindet sich über der Zwischengateschicht 4T, der Speichergateschicht 4S, der Zwischengateschicht 5T und der Speichergate­ schicht 5S innerhalb einer Isolierschicht 6 eine Zwischengateschichtelektrode 7T, eine Speichergateschichtelektrode 7S, eine Zwischengateschichtelektrode 8T und eine Speichergateschichtelektrode 8S, die alle aus Polysilicium gebildet sind und als Zwischenelektroden dienen. Die Zwischengateschichtelektrode 7T und die Speichergateschichtelektrode 7S sind an einen Taktpuls-Eingangsan­ schluß 9 angeschlossen, an dem der Taktpuls ø1 anliegt. Die Zwischengateschichtelektrode 8T und die Speichergateschichtelektrode 8S sind zusam­ men an einem Taktpulseingangsanschluß 10 angeschlossen, an dem der andere Taktpuls ø2 anliegt.
Der Ladungsdetektionsteil 3 ist so ausgelegt, daß die mittels des Ladungsübe­ rtragungsteiles 2 zugeführten Signalladungen ohne Beeinflussung detektiert werden können. Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Struktur ist ein schwebender N-leitender Gatebereich 11 über einen Ausgangsgatebereich 12 aus N-leitendem Material mit der Speichergateschicht 5S verbunden, die den An­ schlußteil des Übertragungsweges des Ladungsübertragungsteiles 2 darstellt. Außerdem sind innerhalb der Isolierschicht 6 über den Schichten 11 und 12 eine schwebende Gateelektrode (floating gate electrode) 13 und eine Ausgangsgateelektrode 14, die beide aus Polysilicium gebildet sind, vorgesehen. Die Ausgangs-Gateelektrode 14 ist mit einem Gleichstrom-Eingangsanschluß 15 verbunden, an den eine bestimm­ te Gleichspannung VOG1 angelegt ist. Die Gate-Elektrode 13 ist über einen aus MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFET) aufgebauten Verstärker 16, der auf demselben Substrat 1 liegt, mit einem Ausganganschluß 17 verbunden. Die Elektrode 13 liegt außerdem über die Source-Drain-Strecke eines MOSFET 18, der durch einen Rücksetzpuls øRS an seiner Gate-Elektrode getriggert wird, an einem Gleichspannungseingangsanschluß 19 an, der zum Rücksetzen mit einer bestimmten Gleichspannung VRS (Stand der Technik) verbunden ist.
Auf dem Substrat 1 ist eine vorgeladene N+-leitende Drain-Schicht 20 gebildet und mit dem Gate-Bereich 11 über vorgeladene Gate-Bereiche 21 und 22, die aus N--leitendem bzw. N-leitendem Material gebildet sind, verbunden. Auf dem vor­ geladenen Drain-Bereich 20 ist eine vorgeladene Drain-Elektrode 23 aus Alu­ minium vorgesehen, die durch Öffnungen 6A, 6B, 6C und 6D in der Isolier­ schicht 6 mit der vorgeladenen Drain-Schicht 20 verbunden ist. Über den vor­ geladenen Gate-Schichten 21 und 22 befinden sich innerhalb der Isolierschicht 6, wie in Fig. 2 gezeigt, vorgeladene Gate-Elektroden 24 und 25 aus Polysilicium. Die Drain-Elektrode 23 ist mit einem Gleichspannungs-Eingangsanschluß 26 verbunden, an dem eine bestimmte Gleichspannung VPD anliegt. Die Gate- Elektroden 24 und 25 sind beide mit einem Taktpuls-Eingangsanschluß 27 ver­ bunden, an dem ein bestimmter Taktpuls øPG anliegt, der mit den Taktpulsen ø1 und ø2 synchronisiert ist.
Außerdem bezeichnen die Bezugsziffer 28 in Fig. 1 einen das Element isolieren­ den Bereich aus einer getrennten Oxidschicht, die Bezugsziffern 29 und 30 Be­ reiche zur Kanalbegrenzung, die aus P+-leitendem Material gebildet und durch Schraffierung mit unterbrochenen Linien angedeutet sind.
In dieser CCD nach dem internen Stand der Technik werden die vom Eingangsbereich zu­ geführten Signalladungen über die Zwischenschichten 4T, 4S, 5T, 5S . . . 4T, 4S, 5T, 5S und über die Ausgangs-Gate-Schicht 12 der schwebenden Gate-Schicht 11 zugeführt. Anschließend werden die Signalladungen über die vorgeladenen Ga­ te-Schichten 21 und 22 an der vorgeladenen Drain-Schicht 20 entladen.
Wenn die Signalladungen zu der Gate-Schicht 11 gelangen, ändert sich die elek­ trostatische Kapazität zwischen der Gate-Elektrode 13 und dem Substrat 1. Des­ halb wird die Gate-Elektrode 13 immer über den MOSFET 18 mit der Spannung VRS aufgeladen, bevor die Signalladungen zur Gate-Schicht 11 gelangen, so daß die in der Gate-Elektrode 13 erzeugte Spannungsänderung dem Betrag der zu der Gate-Schicht 11 übertragenen Signalladungen entspricht. Folglich kann das CCD Element dieses Beispieles als Ausgangssignal an seinem Ausgangsan­ schluß 17 ein verstärktes Signal erzeugen, das die in der Gate-Elektrode 13 er­ zeugte Spannungsänderung darstellt, die wiederum dem Betrag der übertrage­ nen Signalladungen entspricht.
Wie weiterhin aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, überlappen sich das rück­ wärtige Endstück der Ausgangs-Gate-Elektrode 14 und das vordere Endstück der Gate-Elektrode 13 innerhalb der Isolierschicht 6, ebenso wie das rückwärti­ ge Endstück der Gate-Elektrode 13 und das vordere Endstück der vorgeladenen Gate-Elektrode 24, um Potientialbarrieren zwischen der Ausgangs-Gate- Schicht 12 und der Gate-Schicht 11 bzw. der Gate-Schicht 11 und der vorgelade­ nen Gate-Schicht 21 zu vermeiden, so daß die Signalladungen gleichförmig übertragen werden können.
In dem oben beschriebenen CCD-Element sind jedoch die Überlappungsberei­ che 31 der Gate-Elektroden 13 und 14, der Überlappungsbereich 32 der Gate- Elektrode 13 und der vorgeladenen Gate-Elektrode 24 und die Überlappungsbe­ reiche 33 und 34 der Gate-Elektrode 13 und der Kanalbegrenzungsbereiche 29 und 30 relativ groß. Das hat zur Folge, daß die parasitäre Kapazität der Gate- Elektrode 13 groß genug wird, um die Empfindlichkeit der Ladungsdetektion an dieser Elektrode 13 zu verringern. Anders ausgedrückt wird der Ladungs-/Span­ nungs-Umsetzungsfaktor an der Gate-Elektrode 13 verringert, so daß es nicht möglich ist, am Ausgangsanschluß 17 ein Ausgangssignal mit einem guten Sig­ nal/Rauschverhältnis zu erzeugen.
Durch die jüngsten Bestrebungen, die Dichte und Integration der Halbleiterbild­ elemente ständig zu vergrößern, ist die lichtaufnehmende Fläche immer kleiner geworden, so daß der Betrag der in einem Pixel verschobenen Signalladun­ gen immer kleiner geworden ist. Folglich besteht ein großer Bedarf nach CCD- Elementen zur Verwendung in solchen Halbleiter-Bildsensoren, die trotz Ver­ kleinerung ihrer lichtaufnehmenden Fläche ein Ausgangssignal mit hohem Signal-/Rauschverhältnis erzeugen.
In den patent abstracts of Japan E-405, 21. Mai 1986 Band 10, Nummer 137, JP 61001055 A ist ein Ladungsverschiebungs-Bauelement mit einer schwebenden Gate-Elektrode mit einem Ladungsdetektionsteil offenbart, bei dem die Breite der schwebenden Gate-Elektrode verringert ist, um den Über­ lappungsbereich zwischen dieser Gate-Elektrode und den daran angren­ zenden Gate-Elektroden zu verkleinern. Gleichzeitig wird die Länge der Gate-Elektrode vergrößert, damit einer Verminderung der Sättigungs-La­ dungsmenge im Bereich der Gate-Elektrode vorgebeugt wird. Auf diese Weise werden die durch die schwebende Gate-Elektrode hervorgerufenen pa­ rasitären Kapazitäten verringert und die Empfindlichkeit des Ladungs­ nachweises wird erhöht.
Gleichzeitig reduziert die vergrößerte Länge der Gate-Elektrode das für ei­ ne Ladungsverschiebung benötigte elektrische Streufeld unter der Gate- Elektrode, wodurch eine uneffiziente Ladungsübertragung von der schwebenden Gate- Elektrode zur nächsten Gate-Elektrode verursacht wird. Dadurch entstehen Vermischungen von Signalladungen, Verschlechterungen der Frequenz­ charakteristik und andere unerwünschte Effekte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladungsverschiebungs-Bauele­ ment zu schaffen, bei dem die durch eine schwebende Gate-Elektrode hervorgeru­ fenen parasitären Kapazitäten verringert werden und das gleichzeitig bei verkleinerter lichtaufnehmender Fläche ein Ausgangssignal mit hohem Sig­ nal-/Rauschverhältnis erzeugt, wobei die Effizienz der Ladungsübertragung von der Gate-Elektrode zur nächsten Elektrode nicht verschlechtert werden soll.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angege­ ben. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsge­ dankens zum Inhalt.
Erfindungsgemäß wird ein Ladungsverschiebungs-Bauelement geschaffen, das eine schwebende Gate-Elektrode in einem Ladungs-Detektionsteil mit einem an der schwebenden Gate-Elektrode oder einer zu dieser benachbarten Gate-Elektro­ de oder beiden vorstehenden Abschnitt aufweist, wobei die schwebende und die da­ zu benachbarte Gate-Elektrode sich gegenseitig an dem vorstehenden Abschnitt innerhalb der Isolierschicht überlappen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 die Draufsicht auf den Hauptabschnitt eines Ladungsverschiebungs- Bauelementes nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 den Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten Ladungsverschiebungs-Bauele­ mentes entlang der Linien II-II;
Fig. 3 die Draufsicht auf den Hauptabschnitt einer Ausführungsform eines Ladungsverschiebungs-Bauelementes entsprechend der Erfindung;
Fig. 4 die Querschnittsdarstellung des in Fig. 3 gezeigten Ladungsverschie­ bungs-Bauelementes entlang der Linien IV-IV; und
Fig. 5 die Querschnittsdarstellung des in Fig. 3 gezeigten Ladungsverschiebungs-Bauelementes entlang der Linien V-V.
Mit Bezug auf die Fig. 3 bis 5 soll im folgenden ein Ausführungsbeispiel ei­ nes erfindungsgemäßen Ladungsverschiebungs-Bauelementes beschrieben wer­ den, das Anwendung bei einem auf Masse gelegten CCD-Element (BCCD-buried CCD) findet. Die Elemente der Fig. 3 bis 5 entsprechen denjenigen der Fig. 1 und 2 und sind durch dieselben Bezugsziffern bezeichnet. Zur Vermeidung von Wiederholungen soll auf ihre Beschreibung verzichtet werden.
Wie in Fig. 3 gezeigt, ist ein Vorsprung 13A ungefähr in der Mitte des vorderen Endstückes der Gate-Elektrode 13 in der Weise angebracht, dass das vordere En­ de des Vorsprunges 13A der Gate-Elektrode 13 eine Ausgangs-Gate-Elektrode 14 überlappt und die Signalladungsverschiebung vom Abschnitt 2 zum Ausgangs- Gate-Bereich 12, der neben dem überlappenden Teil angeordnet ist, und zur schwebenden Gate-Schicht 11 stattfinden kann. Am vorderen Endstück der vorge­ ladenen Gate-Elektrode 24 ist ein Vorsprung 24A, dessen Breite geringer ist, als die der Gate-Elektrode 13, in der Weise angebracht, daß der vordere Abschnitt des Endstückes 24A der vorgeladenen Gate-Elektrode 24 die Gate-Elektrode 13 innerhalb der Isolierschicht 6 überlagert und die Signalladungen über den Ga­ te-Bereich 11, der neben dem überlappenden Bereich angeordnet ist, zu dem vorgeladenen Gate-Bereich 21 übertragen werden können.
In Bereichen 36 und 37, die in Fig. 3 durch Schraffierung mit gestrichelten Li­ nien angedeutet sind, befindet sich P+-leitendes Material zur Kanalbegrenzung in der Weise, daß die Gate-Elektrode 13 nicht gänzlich mit den Bereichen 36 und 37 überlappt.
Auf dem Substrat 1 ist zwischen einem vorgeladenen Gate-Bereich 22 und einem vorgeladenen Drain-Bereich 20 ein Ausgangs-Gate-Bereich 38 aus N-leitendem Material gebildet. Im Ausgangs-Gate-Bereich 38 ist innerhalb der Isolier­ schicht 6 eine Ausgangs-Gate-Elektrode 39 ausgebildet, an die über einen An­ schluß 40 eine bestimmte Gleichspannung VOG2 angelegt ist, so daß die in den Gate-Bereich 11 fließenden Signalladungen über die Gate-Bereiche 21 und 22 und den Ausgangs-Gate-Bereich 38 am vorgeladenen Drain-Bereich 20 entladen werden können.
Die übrigen Teile des erfindungsgemäßen Ladungsverschiebungs-Bauelementes sind in gleicher Weise gestaltet, wie bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Bei­ spielen nach dem Stand der Technik.
In dem BCCD-Element dieser bevorzugten Ausführungsform werden die von dem Eingangsteil (nicht gezeigt) zugeführten Signalladungen über die Übertragungs­ wege 4T, 4S, 5T, 5S, . . . 4T, 4S, 5T, 5S des Ladungsverschiebungsteiles 2 über den Ausgangsgatebereich 12 zum Gate-Bereich 11 übertragen. Anschließend gelan­ gen sie über die Gate-Bereiche 21 und 22 und den Ausgangsgatebereich 38 zum vorgeladenen Drain-Bereich 20, wo sie entladen werden.
Wenn die Signalladungen zum Gate-Bereich 11 verschoben werden, ändert sich die elektrostatische Kapazität zwischen der Gate-Elektrode 13 und dem Subst­ rat 1. Bei dieser Ausführungsform wird die Gate-Elektrode 13 immer über den MOSFET 18 mit der Spannung VRS aufgeladen, bevor die Signalladungen dem Gate-Bereich 11 zugeführt werden, so daß die in der Gate-Elektrode 13 hervorge­ rufene Spannungsänderung dem Betrag der verschobenen Signalladungen ent­ spricht, die dem Gate-Bereich 11 zugeführt werden. Demzufolge kann mit dem BCCD-Element dieser Ausführungsform an dem Ausgangsanschluß 17 ein ver­ stärktes Signal erzeugt werden, das die in der Gate-Elektrode 13 hervorgerufene Spannungsänderung darstellt, die dem Betrag der verschobenen Signalladun­ gen entspricht.
Da das vordere Stück des Vorsprunges 13A der Gate-Elektrode 13 die Ausgangs­ gateelektrode 14 innerhalb der Isolierschicht 6 überlappt, können die zwischen der Gate-Elektrode 13 und der Ausgangsgateelektrode 14 erzeugten parasitären Kapazitäten zu einem Großteil unterdrückt werden. Ebenso werden zusätzlich aufgrund der Überlappung des vorderen Stückes des Vorsprunges 24A der vor­ geladenen Gate-Elektrode 24 mit der Gate-Elektrode 13 innerhalb der Isolier­ schicht 6 die zwischen der Gate-Elektrode 13 und der Gate-Elektrode 24 erzeug­ ten parasitären Kapazitäten weitestgehend vermieden. Außerdem sind die Gate- Elektrode 13 und die Kanalbegrenzungsbereiche 36 und 37 so angeordnet, daß sie nicht miteinander überlappen, so daß die zwischen der Gate-Elektrode 13 und den Kanalbegrenzungsbereichen 36 und 37 erzeugten parasitären Kapazitä­ ten vernachläßigbar klein sind.
Wie oben beschrieben, können die in Verbindung mit der schwebenden Gate-Elek­ trode 13 erzeugten parasitären Kapazitäten weitestgehend vermieden werden, so daß der Gewinn der Ladungs/Spannungsumsetzung in der Gate-Elektrode 13 vergrößert wird und demzufolge ein Ausgangssignal mit hohem Signal/Rausch­ verhältnis erzeugt werden kann. Wenn folglich ein BCCD-Element entspre­ chend der Erfindung in einem Halbleiterbildelement verwendet wird, dessen lichtempfindliche Fläche aufgrund hoher Dichte und Integration dieses Bautei­ les soweit verringert wurde, daß der Betrag der in einem Pixel erzeugten Signalladungen gering wird, ist es möglich, ein Bildsignal mit einem hohen Sig­ nal/Rauschverhältnis trotz verringerter Signalladungen zu erzeugen. Auch wenn die Erfindung anhand einer Ausführungsform zur Verwendung in einem BCCD-Element beschrieben worden ist, kann sie in gleicher Weise auch bei ein­ em Oberflächenkanal-CCD-Element verwendet werden.

Claims (7)

1. Ladungsverschiebungs-Bauelement mit einer schwebenden Gate-Elektrode (13) in einem Ladungsdetektionsteil (3), gekennzeichnet dadurch, daß an der schwebenden Gate-Elektrode (13) oder einer dazu benachbarten Gate- Elektrode (24) oder an beiden ein vorstehender Abschnitt (13A, 24A) ausgebildet ist, wobei sich die beiden Gate-Elektroden innerhalb einer Isolierschicht (6) mit ih­ rem vorstehenden Abschnitt überlappen.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorste­ hende Abschnitt (13A, 24A) im wesentlichen im mittleren Bereich des vorderen Endstückes der Gate-Elektrode (13) liegt.
3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorste­ hende Abschnitt (24A) an einem vorderen Endstück der Gate-Elektrode (24) ausge­ bildet ist.
4. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die schwebende Gate-Elektrode (13) als auch die dazu benachbarte Gate-Elektrode (24) an ihren vorderen Endstücken einen vorstehenden Abschnitt (13A, 24A) aufweisen.
5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des vorstehenden Abschnitts (24A) der benachbarten Gate-Elektrode (24) schmaler ist, als die Breite der schwebenden Gate-Elektrode (13).
6. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die benach­ barte Elektrode (24) eine vorgeladene Gate-Elektrode ist.
7. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Bereiche (36, 37) zur Kanalbegrenzung, die so angelegt sind, daß sie sich nicht mit der schwebenden Gate-Elektrode (13) überlappen.
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