JPH02256273A - 電荷転送デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は電荷転送デバイスに関し、特に各セルの一部の
半導体表面に反転層が含まれ、その反転層の仮想電極と
しての働きによりセル領域をゲート誘導のポテンシャル
変化から防護するようにした埋め込みチャネル型電荷転
送デバイス（ＣＣＤ）に関するものである。

背景技術 単相ＣＯＤは１例えばＣＣＤの信号チャネル上に連続的
な導体ゲート層を設けたものが知られている。この単相
ＣＣＤは表面チャネル装置、すなわち半導体表面を信号
電荷パケットが移動するようにしたＣＯＤである。この
ような単相ＣＯＤは通常の多相ＣＣＤに比較して信号処
理能力が小さく、大振幅のクロックパルスを必要とする
欠点がある。

また、埋め込みチャネル型ＣＯＤは、半導体薄層内の誘
導チャネルの中で可動電荷の蓄積および転送が行われる
。一般の表面移動型ＣＣＤでは通常、酸化物とシリコン
の間の界面でトラッピング効果が生じるが、埋め込みチ
ャネル型ＣＯＤではこのトラッピング効果を防ぐことが
できるため、電荷転送効率が向上する。また、界面にお
けるキャリア分散がなくなるため、電荷転送効率も高め
られる。その結果、従来より高い周波数での動作が可能
である。

このような埋め込みチャネル型の単相ＣＯＤとしてｖｐ
−ｃｃｏ　（バーチセルフェイズＣＣｒＪ　）がある、
これは例えば、多重セル型信号チャネルに含まれる各セ
ルが４つの領域Ｉ　ｎｍ１ｖを有し、これらの領域内に
は、半導体表面から適切な深さまで不純物の打込みまた
は拡散が行われ、各領域の不純物分布はそれぞれ異って
いる。少なくとも領域Ｉｆｆの上面にはゲート電極が設
けられ、各領域固有の不純物分布によって、ゲートオン
時、ゲートオフ時の各領域内発生最大ポテンシャルが決
定される。

領域［ｆｆの半導体表面には反転層が設けられ、この反
転層によって領域■■がゲート電極に印加された電圧に
よるポテンシャル変化から防護され、ゲート電極に印加
される電圧のオン、オフによりポテンシャルが変化しな
い、したがって、ゲート電極に単相のクロック信号を印
加することにより領域Ｉ■のポテンシャル最大値は領域
ＩＩＮＶの固足的ポテンシャル最大値を基準として反復
的に上下する。そして両方のゲート状態において領域Ｈ
のポテンシャル最大値が領域工より高く、領域■のポテ
ンシャル最大値が領域■より高く保たれているから、電
荷移動の方向性が得られる。

このようなｖｐ−ｃｃｏは撮像素子として用いる場合、
従来のＦＴ−ＣＣＤのように半導体層の全面を電荷転送
用のポリシリコン電極により被覆しているものとは異な
り、領域工■のみをポリシリコン電極により被覆すれば
よいから入射光に対する感度が良い。

しかし、このようなりｐ−ｃａｎは各領域のポテンシャ
ル最大値が異なるようにするため、各領域の不純物分布
が異なるように各領域に不純物の打込みまたは拡散を行
うため製造が難しかった。すなわち、領域と領域の境に
おいて打込みまたは拡散された不純物分布の領域が重な
ることにより、または領域と領域の間に不純物分布のな
い隙間が生じることにより不純物の分布を所望のものと
することができなかった。特にゲート電極の形成されな
い領域においては最上部に反転層が設けられるため、ポ
テンシャル最大値の異なる２つの領域を不純物の打込み
または拡散により形成した後、この２つの領域の上部に
均一に不純物の打込みまたは拡散を行うことにより反転
層の領域を形成しなければならず、製造が難しかった。

目　　　的 本゛発明はこのような従来技術の欠点を解消し、製造が
容易で、しかも高密度化できる電荷転送デバイスを提供
することを目的とする。

発明の開示 本発明によれば、−伝導型の半導体基板の一方の主表面
に、複数のセルを含む逆伝導型の埋め込みチャネルを有
し、各セルの一部の半導体表面にゲート電極を形成する
とともに、ゲート電極の形成されない半導体表面に形成
された反転層によって、ゲート誘導によるポテンシャル
変化から各セルの一部が選択的に防護されている電荷転
送デバイスは、各セルの反転層が形成されている領域は
ポテンシャルが均一に形成されるとともにゲート電極の
形成された領域は少なくとも２つのポテンシャルが形成
されているものである。

実施例の説明 次に添付図面を参照して本発明による電荷転送デバイス
の実施例を詳細に説明する。

第１図に本発明による電荷転送デバイスのチャネル方向
の断面が示されている。

ｐ型シリコンの基板２に形成されたｎ型領域４によりｎ
型のＣＣＤチャネルが形成されている。複数のセルが互
いに分離された状態でチャネルの長手方向に伸びており
、各セルは３つの領域ｌｌｌｌ１１を有している。ｎ型
チャネルを形成するｎ型領域４は後述するように３つの
領域ＩｎＩＩＩごとにそれぞれ異なった量の不純物（ド
ナー）が打ち込まれている。領域■のｎ型領域４の上部
にはｐ層領域６が形成されている。このｐ層領域６は領
域■において、ゲート誘導によるポテンシャル変化を受
けないようにするための遮蔽効果を持つ仮想電極として
機能する。ｐ層領域６の厚さは０．１５〜０．フルｍ、
好ましくは０．２〜０．４１Ｌｍとする。領域ＩＩＩに
おいては、ｎ型領域４の上部に絶縁膜８を介して電荷転
送のためのクロックパルスを印加するゲート電極１０が
配置され、このゲート電極１０はアコーディオンスイッ
チによりクロックパルス源に接続されている。ゲート電
極１０および領域ｍの上面はＰＳＧなどにより形成され
るパッジベージ１ン１ｌＱ１２により覆われている。

領域ｍのｎ型チャネルのポテンシャル上限値は打ち込ま
れたドナー不純物の量によって決定され、固定されてい
る。一方、領域ＩＩＩのｎ型チャネルのポテンシャル上
限値はゲート電極ＩＯに印加されるクロックパルスによ
るゲートポテンシャルと打ち込まれたドナー不純物の量
によって決定され、可変である。これらの３つの領域の
３つのポテンシャルによって電荷を転送する。

基板２のドーピング密度は、１ｘｌＯ〜ｌＸｌ０１６／
Ｃ層３である。

ｆ５２図に領域ＩＩＩｍの不純物濃度分布を示す。

燐のドーピング量は領域工に対しては少量、領域■に対
しては多量、領域■に対してはさらに多量に行われてい
る。硼素のドーピング量は領域■において、燐のドーピ
ングに比較して浅く打ち込まれている。

第３図（ａ）　（ｂ）には、与えられたゲートポテンシ
ャル条件における各セル内の３つの埋め込みチャネル領
域のそれぞれのポテンシャル状態が半導体の表面からの
距離の関数として表わされている。第３図（ａ）はゲー
トオン時（基板に対してゲート電極ｌＯに電圧を印加し
た状態）における領域ＩＩＩＩＩ［のポテンシャル状態
を示す。

第３図（ｂ）はゲートオフ時（ゲート電極１０に電圧を
印加しない状態）における領域工■■のポテンシャル状
態を示す。

第３図（ａ）（ｂ）かられかるように、ゲートオン時に
は各領域のポテンシャルの最大値φｍａｔの間に次の関
係が成り立つ。

φｍａｘＩＩ＞　　φｍａｘＩ＞　　φｗａｘ　　ｍ一
方、ゲートオフ時には次の関係が成り立つ。

φｍａｘｍ＞φ厖ａｘＩＩ＞φｗａｘ　Ｉ電荷転送は、
ゲート電圧（ゲート電極１０に印加する電圧）がオン、
オフの状態を繰り返すことにより行われる。

第４図に各領域のポテンシャルの最大値φｗａｘがポテ
ンシャル井戸の階段状パターンで表されている。ゲート
オン状態の場合は、太線で示されるポテンシャル井戸パ
ターンで表され、そのパターンは領域ｍを始点として右
側に下がっていく３段階ポテンシャルパターンになって
おり、領域■が最低レベルになっている。一方、ゲート
オフ状態の場合は、領域工を始点として右側に下がって
いく３段階ポテンシャルパターンになっている。

例えば領域ＩＩに蓄積される信号電荷について考えると
、ゲートオン時には領域■のφｌ１ａｌが最も高くなっ
ているので、電子電荷はこの領域内に閉じ込められる。

ゲートオフになると、φｗａｘ　ＩＩおよびφ層ａｘ　
Ｉは共に低下する。このとき領域ｍはｐ層領域６の反転
層によってゲートポテンシャルから遮蔽されているから
、φｍａｔ　ＩＩＩは一定である。この時点で領域■の
ポテンシャルが領域■よりも高くなるから、領域■に信
号電荷が移動する。ｐ層領域６は仮想電極を形成する。

ゲートポテンシャルを再びオン状態に引き上げると、後
述するように電荷の移動に方向性が与えられているから
、電荷は領域■から第４図の右方向の領域工を通して領
域■へと流れる。このようにして電荷転送はゲート電極
ＩＯにパルスを印加することによって行われる。

第５図には本発明による電荷転送デバイスの他の実施例
の断面が示されている。

この実施例においては、領域ＩＩＩの埋め込みチャネル
は等しいポテンシャルに形成され、領域ＩＩＩ上のゲー
ト電極１０ａ　、　１０ｂに異なった大きさの電圧を印
加することにより領域Ｈのポテンシャルが領域Ｉのポテ
ンシャルよりも大きくなるようにされている。

第６図により第１図の実施例のゲート電極１０への電圧
の印加による電荷転送の動作について説明する。

各ゲートｔｔｉ極はアコーディオン回路１２０を通して
３相のパルス発生源１３２　、１３４　、１３１３に順
次接続されている。セル２０１の領域■には電荷が蓄積
されていないものとする。まず電極２０１にパルスが印
加されると、電極２０１下部の領域ＩＩＩはポテンシャ
ルが大となり、セル２０２の領域ｍに蓄積されていた電
荷は電極１０１下部の領域Ｉを通して領域Ｈに移動する
０次に電極２０１にパルスが印加されなくなると、電極
２０１下部の領域ＩＩＩはポテンシャルが小となり、領
域Ｈのポテンシャルが領域ｍよりも小となるから、領域
Ｈに蓄積されていた電荷はセル２０１の領域■に移動す
る。

次に電極１０１は電圧を印加しない状態のままで、電極
１０２にパルスを印加すると、電極１０２下部のポテン
シャルが大となり、電極１０２下部の領域ＩＩＩはセル
２０３の領域■よりもポテンシャルが大となるから、セ
ル２０３の領域■に蓄積されていた電荷が電極１０２下
部の領域工を通して領域■に移動する。このとき、電極
＋０２下部の領域■はセル２０２の領域ｍよりもポテン
シャルが大となっているが、セル２０２の領域■に蓄積
されていた電荷は前記の動作によりセル２０１の領域■
に移動してしまっているから、セル２０２の領域■に蓄
積されている電荷が電極＋０２下部の領域■に入り込む
ことはない。

電極１０２にパルスが印加されなくなると、電極１０２
下部の領域ＩＵのポテンシャルが小となり、電極１０２
下部の領域Ｈに移動していた電荷はセル２０２の領域ｍ
に移動する。

同様に電極１０３にパルスをオンオフすることによりセ
ル２０４の領域ｍに蓄積されている電荷をセル２０３の
領域■に移動させる０次に同様に電極１０４にパルスを
オンオフすることにより、セル２０５の領域■に蓄積さ
れている電荷をセル２０４の領域■に移動させる。この
とき同時に電極１０１の右にあるゲート電極（図示せず
）にパルスが印加され、セル２０１の領域■に蓄積され
ていた電荷が他のＣＣｌ１ｌｌなど（図示せず）に転送
される。

次に電極１０２および電極１０５にパルスが印加され、
セル２０３の領域ｍに蓄積されていた電荷がセル２０２
の領域ｍに、セル２０Ｂの領域■に蓄積されていた電荷
がセル２０５の領域■に、それぞれ移動する。このよう
にして順次電荷を転送する。すなわち、最初の３つの電
極に順次パルスを印加して３つの電荷を転送した後、最
初の３つの電極および次の３つの電極に順次パルスを印
加し、６つの電荷を転送する。さらにこれら８つの電極
および次の３つの電極に順次パルスを印加し、８つの電
荷を転送する。アコーディオン回路１２０はこのように
各電極に印加するパルスを制御する。

第７図に示すように領域１２の上部にそれぞれゲート電
極を設けたものの場合には、それぞれの領域ＩＩＩの上
部の一対のゲート電極に領域工よりも領域■が大きいポ
テンシャルとなるように異なる電圧を同時に印加しても
よいし、または一対の電極に順次電圧を印加してもよい
。

第８図（ａ）（ｂ）に本発明の電荷転送デバイスを撮像
装置として用いた場合の電荷転送および各ゲート電極に
印加するパルス電圧の例を示す。

第８図（ａ）のタイムチャートにおいて、時刻Ｏのとき
にはゲート１１４および１１３にパルスが印加され、ゲ
ー）　１１１　、１１２にはパルスが印加されていない
、したがって、セル２１５にＭ積されていた電荷Ａはゲ
ー）１１４下部の領域Ｈに移動している０時刻Ｈにおい
てゲート１１２もオンとなり、時刻ｔ２においてゲー）
１１４がオフとなると、ゲート１１４下部の領域Ｈに移
動していた電荷Ａはゲート１１３下部の領域Ｈに移動す
る０時刻ｔ３においてゲート１１１がオンとなり、時刻
ｔ４においてゲート１１３がオフとなると、ゲート１１
３下部の領域Ｈに移動していた電荷Ａはゲート１１２下
部の領域Ｈに移動する。時刻計６においてゲート１１２
がオフとなると、ゲート１１２下部の領域Ｈに移動して
いた電荷Ａはゲー）　１１１下部の領域Ｈに移動する。

さらに時刻ｔ８においてゲー）１１１がオフとなると、
ゲート１１１下部の領域Ｈに移動していた電荷Ａは水上
転送用ＣＣＤ　３０２に移動する。このようにしてセル
２１５に蓄積されていた電荷Ａを水平に１行間時に水平
転送用ＣＣＤ　３０２に転送する。水平転送用ＣＯＤ　
３０２に転送された電荷Ａは水平転送用ＣＣＤ３０２に
より水平に転送され、水平走査期間Ｔｉｔに１本の走査
線の出力として出力される。

−Ｆ記の電荷Ａの垂直方向への転送の間、時刻ｔ３にお
いてゲー）　１１１がオンとなると同時にゲート１１５
がオンとなり、セル２１Ｂの領域ｍに蓄積されていた電
荷Ｂがゲート１１５下部の領域Ｈに移動する。また、時
刻Ｌ５においてゲート１１４が、時刻ｔ７においてゲー
ト１１３がオンとなり、時刻計８においてゲートｌ１５
がオフとなると、ゲー）１１５下部の領域■に移動して
いた電荷Ｂがゲート１１４下部の領域ＩＩに移動する。

同様にして電荷Ｂは水平転送用ＧＣＤ　３０２に転送さ
れ、水平転送用ＣＧＤ　３０２により水平に転送され、
水平走査期間Ｔ１２に１本の走査線の出力として出力さ
れる。

このようにして蓄積された電荷が順次読み出される。

本実施例によれば、ゲート電極のない部分がすべて領域
ｍとされ、均一の不純物分布のｎ型領域４上にＰ型領域
６が形成されている。したがって、例えばゲート電極を
領域Ｉ　ＩＩの表面に形成した後、このゲート電極をマ
スクとして使用して領域■に不純物の打込みまたは拡散
を行って領域ｍを形成することもできる。領域■は均一
の不純物分布のｎ型領域４上にｐ型領域６を形成すれば
よいから、従来のようにゲート電極のない部分を２つの
異なる不純物分布のｎ型領域４としその上にｐ型領域を
形成するものに比較して製造が容易である。

また、ゲート電極のない部分がすべて領域■とされ、領
域ＩＩＩＤＩの３つのポテンシャルの異なる領域からな
るため、従来の４つの領域からなるものに比較して高密
度化することができ、撮像素子として用いる場合に解像
度が向上する。

本発明の電荷転送デバイスの製造工程の一実施例が第９
図（ａ）〜（ｄ）に示されている。

まず、第５図（ａ）に示されるような、ドービン’ｊ密
度２　ｘ　１０””／　ｃｍ３のｐ型の単結晶シリコン
基板２が使用される。このｐｌ！１基板２の表面に酸化
法によって酸化層１４を所望のＨさ例えば３００オング
ストロームに形成する。

次に第５図（ａ）に示すように酸化層１４を通してリン
（Ｐ）をエネルギ２００ｋｅＶ、線量３　ｘ　ｔｏ１２
／ｃｍ２で打ち込む、これにより領域工のｎチャネル部
分が形成される。

次に第５図（ｂ）に示すような領域Ｈの部分が開口され
たマスク２２を形成し、酸化層１４を通してリン（Ｐ）
をエネルギ２００ｋｅＶ、線ｉｆ　ｘ　１０１２／ｃｍ
２テ打ち込む。この打ち込みと第５図（ａ）の打ち込み
により領域■のｎチャネル部分が形成される。

さらに第５図（Ｃ）に示すような領域旧の部分が開口さ
れたマスク２４を形成し、酸化層１４を通して１Ｊ７（
ｐ）をエネルギ２０（ｌｋａＶ、　！ａ量３　ｘ　ｔｏ
１２／　ｃｍ２で打ち込む、この打ち込みと第５図（ａ
）（ｂ）の打ち込みにより領域■のｎチャネル部分が形
成される。

さらに第５図（ｄ）に示すように、第５図（Ｃ）と同様
のマスク２４を形成し、酸化層１４を通して硼素（Ｂ）
をエネルギ４０ｋｅＶ　、線量ｌＸｌ０１３／Ｃ１１２
テ打ち込む。この打ち込みにより領域■の仮想電極とな
るｐ型望域６が形成される。

なお、各不純物の打ち込み後には熱処理が行われ、打ち
込み不純物がシリコン内に適切な深さまで拡散して正し
いポテンシャル分布状態が形ｉ８れる。

このようにしてｎ型領域４およびｐ型領域６を形成した
後、領域Ｉｎの酸化層１４上にゲート’、ｔｔ極１０を
形成し、ゲート電極１０および領域■の上面にＰＳＧの
パッシベーション膜１２を形成すれば第１図に示す電荷
転送デバイスが得られる。

なお、ｎ型シリコン基板を材料としてｐ型チャネルのＣ
ＣＤを製作する場合には各極性を逆にすればよい、また
、７ンチモン化インジウムやテルル化水銀カドミウムな
どのｍ−■、■−■化合物を含む半導体を使用してもよ
い。

効　　果 本発明による電荷転送デバイスは、ゲート電極のない反
転層の形成される領域はポテンシャルが均一に形成され
ているので、不純物の打込みまたは拡散が容易であり、
製造が容易である。

また、従来のように反転層の形成される領域が２つの領
域からなるものに比較して高密度化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電荷転送デバイスの一実施例を示
す断面図、 第２図は領域工■■の不純物濃度分布を示すグラフ、 第３図（ａ）はゲートオン時における領域Ｉ■■のポテ
ンシャル状態を示すグラフ、 第３図（ｂ）はゲートオフ時における領域ＩＩＩｍのポ
テンシャル状態を示すグラフ。 第４図は各領域のポテンシャル井戸を示すグラフ、 第５図は本発明による電荷転送デバイスの他の実施例を
示す断面図、 第６図は第１図の電荷転送デバイスの駆動回路を示す図
、 第７図は第２図の電荷転送デバイスの駆動回路を示す図
、 第８図（ａ）は第８図（ｂ）の装置のタイミングチャー
ト、 第８図（ｂ）は第１図の電荷転送デバイスを撮像素子と
して使用した装置の図、 第９図（ａ）〜（ｄ）は第１図に示す電荷転送デバイス
の製造工程を示す図である。 妻部分の符号の説明 ２・・・基板 ４　、、、ｎ型望域 ６　、　。 １０゜ ０ａ ０ｂ ｐ型領域 絶縁膜 ゲート電極 ゲート電極 ゲート電極 特許出願人　富士写真フィルム株式会社猶　−７：　劇 代　理　人　香取　孝雄 先山 隆夫 第 起 猶 ム 記 と＾′ モ マ 第 キ 画 起 盪　８　面 手続補正書 （方式） ％式％ １、事件の表示 昭和６０年特許願第２８３９０５号 ２、発明の名称 電荷転送デバイス ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　神奈川県南足柄市中沼２１０番地名　称　（５
２０）富士写真フィルム株式会社４、代理人 住所〒１０５ 東京都港区西新橋２−４−１ ５月１１１日 ７、′４正の内容 明細書第２０頁第１２〜１５行の 「第８図（ａ）は、第８図（ｂ）の装置のタイミングチ
ャート、第８図（ｂ）は第１図の電荷転送デバイスを撮
像素子として使用した装置の図、」を 「＄８図は、第１図の電荷転送デバイスを撮像素子とし
て使用した装置の電荷転送および各ゲート電極に印加す
るパルス電圧の例を示す図、」に訂正する。 ５゜ 補正命令の日付　昭和６２年３月３１日（全送日：昭和
６２年 ４月２９日） ごべべへ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一伝導型の半導体基板の一方の主表面に、複数のセ
   ルを含む逆伝導型の埋め込みチャネルを有し、該各セル
   の一部の半導体表面にゲート電極を形成するとともに、
   該ゲート電極の形成されない半導体表面に形成された反
   転層によって、ゲート誘導によるポテンシャル変化から
   各セルの一部が選択的に防護されている電荷転送デバイ
   スにおいて、該デバイスは、 前記各セルの反転層が形成されている領域はポテンシャ
   ルが均一に形成されるとともに前記ゲート電極の形成さ
   れた領域は少なくとも２つのポテンシャルが形成されて
   いることを特徴とする電荷転送デバイス。 ２、特許請求の範囲第１項記載のデバイスにおいて、前
   記ゲート電極の形成された領域は、不純物濃度の異なる
   ２つの領域からなることを特徴とする電荷転送デバイス
   。 ３、特許請求の範囲第１項記載のデバイスにおいて、前
   記ゲート電極の形成された領域は、ポテンシャルが均一
   に形成されるとともに該領域に形成されたゲート電極は
   一対の電極からなることを特徴とする電荷転送デバイス
   。 ４、特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
   載のデバイスにおいて、前記半導体基板がｐ型シリコン
   であり、前記埋め込みチャネルがｎ型伝導性を示すこと
   を特徴とする電荷転送デバイス。