JPH0951090A - Charge coupled device - Google Patents

Charge coupled device

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JPH0951090A
JPH0951090A JP11864096A JP11864096A JPH0951090A JP H0951090 A JPH0951090 A JP H0951090A JP 11864096 A JP11864096 A JP 11864096A JP 11864096 A JP11864096 A JP 11864096A JP H0951090 A JPH0951090 A JP H0951090A
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JP
Japan
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potential
insulating film
gate insulating
charge
diffusion layer
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Application number
JP11864096A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideki Mori
秀樹 森
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication of JPH0951090A publication Critical patent/JPH0951090A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the deterioration of a transfer efficiency while increasing the handling charge amount of a transfer unit. SOLUTION: A charge coupled device(CCD) 10 comprises a of electrodes 16 arranged above an impurity diffused layer 12 via a gate insulating film 15, wherein the film 15 is formed in thickness of a range of 20 to 600nm. The potential of the CCD 10 in the case of applying a voltage for storing charge in the layer 12 directly under the electrode 16 is set to a range of the potential to form a depletion layer on the layer 12 to 10V.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電荷結合素子〔以
下、CCDという。CCDはCharge-Coupled Device の
略である〕に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a charge coupled device [hereinafter referred to as CCD. CCD is an abbreviation for Charge-Coupled Device].

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の代表的なCCDを図5の転送部の
概略構成断面図によって説明する。図5の示すように、
N型のシリコン基板111中にはP- 型の不純物拡散層
112が形成されている。また上記シリコン基板111
の表面側にはN+ 型の不純物拡散層113が形成され、
この不純物拡散層113の下部側にP+ 型の不純物拡散
層114が設けられている。また不純物拡散層113上
にはゲート絶縁膜115を介して電極116が形成され
ている。この電極116の周囲には絶縁膜117が形成
されている。上記ゲート絶縁膜115は、比較的厚い膜
厚(通常は70nm程度)に形成されている。
2. Description of the Related Art A typical conventional CCD will be described with reference to FIG. As shown in FIG.
A P type impurity diffusion layer 112 is formed in the N type silicon substrate 111. In addition, the silicon substrate 111
An N + -type impurity diffusion layer 113 is formed on the surface side of
A P + -type impurity diffusion layer 114 is provided below the impurity diffusion layer 113. An electrode 116 is formed on the impurity diffusion layer 113 with a gate insulating film 115 interposed therebetween. An insulating film 117 is formed around the electrode 116. The gate insulating film 115 is formed with a relatively thick film thickness (usually about 70 nm).

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記C
CDでは、ゲート絶縁膜の膜厚によって取り扱い電荷量
が制限されている。取り扱い電荷量を多くするには、ゲ
ート絶縁膜を薄膜化すればよいが、薄膜化によって、い
わゆる、深いポテンシャルディップが生じることにな
る。以下、上記CCD110の深さ方向のポテンシャル
を示した図6を参照しながら、ポテンシャルディップに
関して説明する。
However, the above C
In CD, the amount of charge handled is limited by the thickness of the gate insulating film. The amount of charges to be handled can be increased by thinning the gate insulating film, but the thinning causes a so-called deep potential dip. The potential dip will be described below with reference to FIG. 6 showing the potential of the CCD 110 in the depth direction.

【0004】電極下のゲート絶縁膜の膜厚がdoxのとき
のゲート絶縁膜容量Coxは、式(1)のように表せる。
The gate insulating film capacitance Cox when the film thickness of the gate insulating film under the electrode is dox can be expressed by the equation (1).

【0005】[0005]

【数1】 Cox=ε0 ・χox・(s/dox) ・・・(1) (式中、Coxはゲート絶縁膜容量、ε0 は真空誘電率、
χoxはゲート絶縁膜の比誘電率、sはゲート絶縁膜の平
面視的な面積、doxはゲート絶縁膜の膜厚を表す。)
[Number 1] Cox = ε 0 · χox · ( s / dox) ··· (1) ( wherein, Cox is the gate insulating film capacitance, epsilon 0 is the vacuum dielectric constant,
χox represents the relative dielectric constant of the gate insulating film, s represents the area of the gate insulating film in plan view, and dox represents the film thickness of the gate insulating film. )

【0006】したがって上記(1)式から、ゲート絶縁
膜の膜厚doxが薄くなることによりゲート絶縁膜の容量
Coxが増加することがわかる。ここで、隣接するチャネ
ルのゲート電圧をΔψだけ変動させたときの最小ポテン
シャルφm の変動量Δφm を求めると、Δφm は(2)
式のように表せる。
Therefore, it can be understood from the above equation (1) that the capacitance Cox of the gate insulating film increases as the film thickness dox of the gate insulating film decreases. Here, when the variation amount Δφm of the minimum potential φm when the gate voltage of the adjacent channel is varied by Δφ is calculated, Δφm is (2)
It can be expressed as an expression.

【0007】[0007]

【数2】 Δφm =〔C4 /(C1 +C2 +C3 +C4 )〕・Δψ ・・・(2) (式中、C1 +C2 はゲート絶縁膜以下の容量、C3
4 は一つのゲート電極に隣接する転送方向容量、C4
は一つのゲート電極に隣接する一方側の転送方向容量を
表す。)
[Formula 2] Δφ m = [C 4 / (C 1 + C 2 + C 3 + C 4 )] · Δψ (2) (where, C 1 + C 2 is the capacitance below the gate insulating film, C 3 +
C 4 is a capacitance in the transfer direction adjacent to one gate electrode, C 4
Represents the transfer direction capacitance on one side adjacent to one gate electrode. )

【0008】上記(2)式に表したように、ゲート絶縁
膜容量Coxが増加することにより、すなわちゲート絶縁
膜以下の容量C1 +C2 が増加することにより、最小ポ
テンシャルの変動量Δφm は小さくなる。つまり、転送
方向容量C3 ,C4 による影響よりも容量C1 +C2
よる影響のほうが大きくなるため、転送方向のフリンジ
電界が減少する。そのことにより電極間に発生するポテ
ンシャルディップがさらに深くなって、転送効率が悪化
することになる。
As represented by the above equation (2), the minimum potential fluctuation amount Δφm is small due to the increase of the gate insulating film capacitance Cox, that is, the increase of the capacitance C 1 + C 2 below the gate insulating film. Become. That is, the influence of the capacitance C 1 + C 2 is larger than the influence of the transfer direction capacitances C 3 and C 4 , so that the fringe electric field in the transfer direction is reduced. As a result, the potential dip generated between the electrodes becomes deeper and the transfer efficiency deteriorates.

【0009】ここで転送劣化について、上記図6のポテ
ンシャル図および図7の電極配列下のポテンシャル図に
よって説明する。
Here, transfer deterioration will be described with reference to the potential diagram of FIG. 6 and the potential diagram under the electrode array of FIG.

【0010】図7に示すように、電極116の厚さ方向
における電極116間の絶縁膜117の厚さd2 はゲー
ト絶縁膜115の厚さd1 よりも厚く形成されている。
電極116の下方のポテンシャルはd2 に律速されてお
り、電極116間のポテンシャルは局所的に深くなる。
CCDの転送部の下では電極116にバイアスを印加す
ることにより電荷の転送を行う際には、局所的に絶縁膜
の厚さが厚くなる電極116間にポテンシャルディップ
δφが発生する。
As shown in FIG. 7, the thickness d 2 of the insulating film 117 between the electrodes 116 in the thickness direction of the electrodes 116 is formed thicker than the thickness d 1 of the gate insulating film 115.
The potential below the electrodes 116 is rate-controlled by d 2 , and the potential between the electrodes 116 becomes locally deep.
When a charge is transferred by applying a bias to the electrode 116 under the transfer section of the CCD, a potential dip δφ is locally generated between the electrodes 116 where the thickness of the insulating film becomes thick.

【0011】このポテンシャルディップδφは転送方向
のフリンジ電界により引っ張られて弱まる。ただし、ゲ
ート絶縁膜115を薄膜化することによりフリンジ電界
の効果が弱まり、ポテンシャルディップδφが深くな
る。このように深いポテンシャルディップδφが発生す
ると、そこに転送電荷が多く取り残されるため、大きな
転送劣化となる。これが転送劣化の主要因である。そこ
で、取り扱い電荷量を多くするためにゲート絶縁膜を薄
膜化するには、ポテンシャルディップδφを低減するこ
とが重要になる。
This potential dip δφ is pulled and weakened by the fringe electric field in the transfer direction. However, thinning the gate insulating film 115 weakens the effect of the fringe electric field and deepens the potential dip δφ. When such a deep potential dip δφ occurs, a large amount of transfer charge is left behind, resulting in large transfer deterioration. This is the main cause of transfer deterioration. Therefore, it is important to reduce the potential dip δφ in order to thin the gate insulating film in order to increase the amount of charge handled.

【0012】本発明は、転送部の取り扱い電荷量を増加
するとともに転送効率の悪化を防止するのに優れた電荷
結合素子を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a charge-coupled device which is excellent in increasing the amount of charge handled in the transfer section and preventing deterioration of transfer efficiency.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされた電荷結合素子である。すなわち、
拡散層の上方にゲート絶縁膜を介して複数の電極を配列
した電荷結合素子であって、ゲート絶縁膜は20nm以
上60nm以下の範囲内の膜厚に形成されているもので
ある。また、拡散層の上方に複数の電極を配列した電荷
結合素子であって、電極直下の拡散層に電荷を蓄積する
ための電圧を印加した際の電荷結合素子のポテンシャル
は拡散層に空乏層が形成される電位以上10V以下の範
囲内にあるものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a charge-coupled device made to achieve the above object. That is,
A charge-coupled device in which a plurality of electrodes are arranged above a diffusion layer via a gate insulating film, and the gate insulating film is formed to have a film thickness within a range of 20 nm to 60 nm. Further, in the charge-coupled device in which a plurality of electrodes are arranged above the diffusion layer, the potential of the charge-coupled device when a voltage for accumulating charges in the diffusion layer directly under the electrode is applied is the depletion layer in the diffusion layer. It is in the range of not less than 10 V and not less than the potential formed.

【0014】上記電荷結合素子では、拡散層の上方にゲ
ート絶縁膜を介して複数の電極を配列されていて、その
ゲート絶縁膜が20nm以上60nm以下の範囲内の膜
厚に形成されていることから、転送部の取り扱い電荷量
が増加される。一方、ゲート絶縁膜が20nmよりも薄
いとトンネル電流が流れて絶縁膜としての機能を果たさ
なくなる。すなわち、ゲート耐圧を確保するためには2
0nm以上の膜厚が必要になる。他方、ゲート絶縁膜が
60nmよりも厚いとゲート絶縁膜容量が低下して単位
面積当たりの取り扱い電荷量が減少する。そのためダイ
ナミックレンジが小さくなる。よって、ゲート絶縁膜の
膜厚は上記範囲内に設定される。
In the above charge coupled device, a plurality of electrodes are arranged above the diffusion layer via the gate insulating film, and the gate insulating film is formed to have a film thickness within the range of 20 nm to 60 nm. Therefore, the handling charge amount of the transfer unit is increased. On the other hand, if the gate insulating film is thinner than 20 nm, a tunnel current will flow and it will no longer function as an insulating film. That is, in order to secure the gate breakdown voltage, 2
A film thickness of 0 nm or more is required. On the other hand, if the gate insulating film is thicker than 60 nm, the capacity of the gate insulating film is reduced and the amount of charges handled per unit area is reduced. Therefore, the dynamic range becomes smaller. Therefore, the film thickness of the gate insulating film is set within the above range.

【0015】また、拡散層の上方に複数の電極を配列さ
れていて、電極直下の拡散層に電荷を蓄積するための電
圧を印加した際の電荷結合素子のポテンシャルが拡散層
に空乏層が形成される電位以上10V以下の範囲になっ
ているものであるから、ポテンシャルディップが小さく
なり転送効率が高くなる。一方、ポテンシャルが拡散層
に空乏層を形成する電位よりも低い場合には、拡散層に
電荷を蓄積することができない。他方、ポテンシャルが
10Vを越えると転送効率が低くなり、実用的ではな
い。よって、ポテンシャルは上記範囲内に設定される。
Further, a plurality of electrodes are arranged above the diffusion layer, and the potential of the charge-coupled device when a voltage for accumulating charges is applied to the diffusion layer immediately below the electrode forms a depletion layer in the diffusion layer. The potential dip is small and the transfer efficiency is high because the voltage is in the range of not less than the electric potential and not more than 10 V. On the other hand, if the potential is lower than the potential that forms the depletion layer in the diffusion layer, the charge cannot be stored in the diffusion layer. On the other hand, if the potential exceeds 10 V, the transfer efficiency becomes low, which is not practical. Therefore, the potential is set within the above range.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】本発明の第1実施例を図1の概略
構成断面図によって説明する。図では、代表していわゆ
るMOS(金属−酸化膜−半導体)型の2相駆動方式の
電荷結合素子(以下、CCDという)を示す。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic sectional view of FIG. In the figure, a so-called MOS (metal-oxide film-semiconductor) type two-phase drive type charge coupled device (hereinafter referred to as CCD) is shown as a representative.

【0017】図1の示すように、第1伝導型(例えばN
型)の半導体基板(例えばシリコン基板)11の表面側
には拡散層として第1伝導型(例えばN+ 型)の不純物
拡散層12が形成され、その直下には第1伝導型とは逆
伝導型である第2伝導型(例えばP+ 型)の不純物拡散
層13が形成されているさらに第2伝導型(例えばP -
型)の不純物拡散層14が深さ方向に形成されている。
また、半導体基板11の表面には、ゲート絶縁膜15が
形成され、その上面には複数の電極16が一部分がオー
バラップする状態に絶縁膜17を介して配列されてい
る。そして上記構成のCCD10では、上記ゲート絶縁
膜15は20nm以上60nm以下の範囲内の膜厚に形
成されている。
As shown in FIG. 1, the first conductivity type (for example, N
Type) semiconductor substrate (eg, silicon substrate) 11 front surface side
Has a first conductivity type (for example, N+Type) impurities
A diffusion layer 12 is formed, and the diffusion layer 12 is formed immediately below the diffusion layer 12 and is opposite to the first conductivity type.
A second conductivity type that is a conductivity type (for example, P+Type) impurity diffusion
Furthermore, a second conductivity type (for example, P -
(Type) impurity diffusion layer 14 is formed in the depth direction.
Further, the gate insulating film 15 is formed on the surface of the semiconductor substrate 11.
A plurality of electrodes 16 are partially formed on the upper surface thereof.
Arranged in a wrapping manner with the insulating film 17 in between.
You. In the CCD 10 having the above structure, the gate insulation is performed.
The film 15 has a thickness within the range of 20 nm to 60 nm.
Has been established.

【0018】上記のような膜厚にゲート絶縁膜15を形
成したことにより、転送部の取り扱い電荷量が増加され
る。
By forming the gate insulating film 15 with the above-mentioned film thickness, the amount of charges handled in the transfer portion is increased.

【0019】一方、ゲート絶縁膜15が20nmよりも
薄いとトンネル電流が流れて絶縁膜としての機能を果た
さなくなる。例えば、電極16への最大印加電圧が15
Vのとき、ゲート絶縁膜15中の電界がおよそ7MV/
cm以下でないとトンネル電流が流れる。したがって、
ゲート耐圧を確保するためには20nm以上の膜厚が必
要になる。また、ゲート絶縁膜15を薄くしすぎるとフ
リンジ電界が弱くなって転送効率が低下する。この点か
らも、ゲート絶縁膜15は上記範囲の膜厚が必要であ
る。他方、ゲート絶縁膜15が60nmよりも厚いと単
位面積当たりの取り扱い電荷量が減少してダイナミック
レンジが小さくなる。よって、ゲート絶縁膜15の膜厚
は上記範囲内に設定される。
On the other hand, if the gate insulating film 15 is thinner than 20 nm, a tunnel current will flow and it will not function as an insulating film. For example, the maximum applied voltage to the electrode 16 is 15
When V, the electric field in the gate insulating film 15 is about 7 MV /
If it is not less than cm, a tunnel current flows. Therefore,
A film thickness of 20 nm or more is required to secure the gate breakdown voltage. Further, if the gate insulating film 15 is made too thin, the fringe electric field becomes weak and the transfer efficiency decreases. From this point as well, the gate insulating film 15 needs to have a film thickness within the above range. On the other hand, when the gate insulating film 15 is thicker than 60 nm, the amount of charge handled per unit area decreases and the dynamic range decreases. Therefore, the film thickness of the gate insulating film 15 is set within the above range.

【0020】次に本発明の第2実施例を、上記第1実施
例と同様に上記図1を用いて説明する。図1に示す構成
のCCD10では、上記電極16直下の不純物拡散層1
2に電荷を蓄積するための電圧を電極16に印加したと
きのCCD10のポテンシャルが、上記不純物拡散層1
2に空乏層が形成される電位以上でかつ10V以下の範
囲に存在するように設定されている。すなわち、従来の
CCDのポテンシャル値よりも低いポテンシャル値にな
っている。言い換えれば、上記ポテンシャルが上記範囲
になるような不純物濃度で不純物拡散層12が形成され
ている。なお、ポテンシャルが10Vになるのは、例え
ば電極16に0Vを印加したときである。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 as in the first embodiment. In the CCD 10 having the configuration shown in FIG. 1, the impurity diffusion layer 1 immediately below the electrode 16 is used.
The potential of the CCD 10 when a voltage for accumulating charges in 2 is applied to the electrode 16 is
2 is set so that the depletion layer exists in a range of not less than the potential and not more than 10V. That is, the potential value is lower than the potential value of the conventional CCD. In other words, the impurity diffusion layer 12 is formed with an impurity concentration such that the above potential is in the above range. The potential becomes 10 V when 0 V is applied to the electrode 16, for example.

【0021】ここで、ポテンシャルφと上記不純物拡散
層12の濃度ND との関係を説明する。ポテンシャルφ
はポアソン方程式から(3)式のように表される。
Now, the relationship between the potential φ and the concentration N D of the impurity diffusion layer 12 will be described. Potential φ
Is expressed as the equation (3) from the Poisson equation.

【0022】[0022]

【数3】 φ=qND Xm2/(2χS ε0 )+qND Xm /(χS ε0 )+VG ・・・(3) (式中、qは電子の電荷、ND は不純物拡散層12の不
純物濃度、Xm は最小となるポテンシャル界面からの深
さ、χS はゲート絶縁膜15の比誘電率、ε0は真空誘
電率、VGは電極16に印加されるゲート電圧であ
る。)
## EQU3 ## φ = qN D Xm 2 / (2χ S ε 0 ) + qN D Xm / (χ S ε 0 ) + VG (3) (wherein, q is an electron charge and N D is an impurity diffusion layer) 12 is the impurity concentration, Xm is the depth from the potential interface that minimizes, χ S is the relative permittivity of the gate insulating film 15, ε 0 is the vacuum permittivity, and VG is the gate voltage applied to the electrode 16.)

【0023】ここで、上記(3)式中のq,Xm ,
χS ,ε0 は一定なので、(3)式は下記(4)式のよ
うに表される。
Here, q, Xm, and
Since χ S and ε 0 are constant, the equation (3) is expressed as the following equation (4).

【0024】[0024]

【数4】φ=cND +VG ・・・(4) (式中、c=qXm2/(2χS ε0 )+qXm /(χS
ε0 )=一定。)
## EQU4 ## φ = cN D + VG (4) (where, c = qXm 2 / (2χ S ε 0 ) + qXm / (χ S
ε 0 ) = constant. )

【0025】よって、ポテンシャルφは上記不純物拡散
層12の不純物濃度ND に比例することがわかる。した
がって、ポテンシャルφは不純物拡散層12の不純物濃
度ND によって決定される。
Therefore, it can be seen that the potential φ is proportional to the impurity concentration N D of the impurity diffusion layer 12. Therefore, the potential φ is determined by the impurity concentration N D of the impurity diffusion layer 12.

【0026】上記CCD10では、ポテンシャルが不純
物拡散層12に空乏層が形成される電位以上10V以下
の範囲になっていることから、ポテンシャルディップが
小さくなり転送効率が高くなる。
In the CCD 10, since the potential is in the range of not less than the potential at which the depletion layer is formed in the impurity diffusion layer 12 and not more than 10 V, the potential dip becomes small and the transfer efficiency becomes high.

【0027】図2に転送効率とポテンシャルとの関係の
一例を示す。図は、ゲート絶縁膜を一定にした状態でポ
テンシャル値を変化させたときの転送効率を調べた結果
である。この図では、縦軸は転送効率をCCD10の水
平方向の転送効率を表す電圧(例えばLL.LINE3
3)を示し、横軸はポテンシャルを示す。LL.LIN
E33は、電圧が0に近づくに従い、転送効率が高くな
ると判断されるものである。図に示すように、ポテンシ
ャルが10Vよりも高くなると転送効率が非常に低下
し、一方ポテンシャルが10V以下では実用的な転送効
率が得られた。
FIG. 2 shows an example of the relationship between transfer efficiency and potential. The figure shows the results of examining the transfer efficiency when the potential value is changed with the gate insulating film kept constant. In this figure, the vertical axis represents the transfer efficiency and the voltage representing the horizontal transfer efficiency of the CCD 10 (for example, LL.LINE3).
3), and the horizontal axis shows the potential. LL. LIN
E33 is for determining that the transfer efficiency increases as the voltage approaches 0. As shown in the figure, when the potential was higher than 10 V, the transfer efficiency was significantly lowered, while when the potential was 10 V or less, the practical transfer efficiency was obtained.

【0028】一方、ポテンシャルが不純物拡散層12に
空乏層が形成されないような低い電位では、電極16に
電圧を印加しても不純物拡散層12に電荷を蓄積するこ
とができない。すなわち、CCDとしての機能を果たさ
ない。他方、10Vを越える電位では転送効率が非常に
低下するため、実用的ではない。よって、ポテンシャル
は上記範囲内になるように設定される。
On the other hand, if the potential is so low that a depletion layer is not formed in the impurity diffusion layer 12, no charge can be stored in the impurity diffusion layer 12 even if a voltage is applied to the electrode 16. That is, it does not function as a CCD. On the other hand, if the potential exceeds 10 V, the transfer efficiency will be significantly reduced, which is not practical. Therefore, the potential is set within the above range.

【0029】次に、CCDの転送劣化の原因となるポテ
ンシャルディップδφを図3のポテンシャル図によって
説明する。図では、実線は電極16下の深さ方向のポテ
ンシャル分布を示し、破線は電極16間下方の深さ方向
のポテンシャル分布を示す。
Next, the potential dip δφ which causes the transfer deterioration of the CCD will be described with reference to the potential diagram of FIG. In the figure, the solid line indicates the potential distribution in the depth direction below the electrodes 16, and the broken line indicates the potential distribution in the depth direction below the electrodes 16.

【0030】図に示すように、不純物拡散層12におい
て、ゲート絶縁膜15よりも厚い絶縁膜17下方のポテ
ンシャル分布で最小となるポテンシャルφ2mは、ゲート
絶縁膜15下方のポテンシャル分布で最小となるポテン
シャルφ1mよりも深くなっている。上記最小ポテンシャ
ルφ1mは界面からの深さX1mに位置し、上記最小ポテン
シャルφ2mは界面からの深さX2mに位置している。ここ
でφ2m−φ1mをポテンシャルディップδφとすれば、δ
φは(5)式で表される。
As shown in the figure, in the impurity diffusion layer 12, the minimum potential φ 2m in the potential distribution below the insulating film 17 thicker than the gate insulating film 15 is the minimum potential in the potential distribution below the gate insulating film 15. It is deeper than φ1m. The minimum potential φ1m is located at the depth X1m from the interface, and the minimum potential φ2m is located at the depth X2m from the interface. If φ2m-φ1m is the potential dip δφ, then δ
φ is expressed by equation (5).

【0031】[0031]

【数5】 δφ=φ2m−φ1m =qND (X2m2 −X1m2 )/(2χS ε0 ) +qND (d2 X2m−d1 X1m)/(χS ε0 ) ・・・(5) (式中、qは電子の電荷、ND は不純物拡散層12の不
純物濃度、d1 はゲート絶縁膜15の膜厚、d2 は電極
16の膜厚方向における電極16間の絶縁膜17の膜
厚、χS はゲート絶縁膜15の比誘電率、ε0 は真空誘
電率を表す。)
[Number 5] δφ = φ2m-φ1m = qN D (X2m 2 -X1m 2) / (2χ S ε 0) + qN D (d2 X2m-d1 X1m) / (χ S ε 0) ··· (5) ( formula Where q is the electric charge of electrons, N D is the impurity concentration of the impurity diffusion layer 12, d 1 is the film thickness of the gate insulating film 15, and d 2 is the film thickness of the insulating film 17 between the electrodes 16 in the film thickness direction of the electrodes 16. , Χ S represents the relative permittivity of the gate insulating film 15, and ε 0 represents the vacuum permittivity.)

【0032】ここで各最小ポテンシャルの界面からの深
さX1m,X2mはゲート絶縁膜16の厚さにはほとんど依
存しない。そこでX1m≒X2mと近似することができるの
で、(5)式の第1項は無視できる。その結果(5)式
は第2項のみとなり、またX1m=X2m=Xm として上記
(5)式を変形すると(6)式が得られる。
Here, the depths X1m and X2m from the interface of the respective minimum potentials hardly depend on the thickness of the gate insulating film 16. Therefore, since it can be approximated as X1m≅X2m, the first term of the equation (5) can be ignored. As a result, the equation (5) has only the second term, and the equation (6) is obtained by modifying the equation (5) with X1m = X2m = Xm.

【0033】[0033]

【数6】 δφ=φ2m−φ1m =qND (d2 −d1 )Xm /(χS ε0 ) ・・・(6)[6] δφ = φ2m-φ1m = qN D (d2 -d1) Xm / (χ S ε 0) ··· (6)

【0034】ここで、ゲート絶縁膜15の膜厚d1 の変
化にともなって絶縁膜17の膜厚をd2 も同じだけ変化
するのでd2 −d1 =一定である。また、電子の電荷
q、最小ポテンシャルの界面からの深さXm 、ゲート絶
縁膜15の比誘電率χS 、真空誘電率ε0 は一定なの
で、上記(6)式は下記(7)式のように表される。
Here, as the film thickness d 1 of the gate insulating film 15 changes, the film thickness d 2 of the insulating film 17 also changes by the same amount, and therefore d 2 −d 1 = constant. Further, since the electric charge q of the electron, the depth Xm from the interface of the minimum potential, the relative permittivity χ S of the gate insulating film 15 and the vacuum permittivity ε 0 are constant, the above equation (6) is represented by the following equation (7). Represented by.

【0035】[0035]

【数7】δφ=cND ・・・(7) (式中、c=q(d2 −d1 )Xm /(χS ε0 )は定
数を表す。)
Equation 7] δφ = cN D ··· (7) ( where, c = q (d 2 -d 1) Xm / (χ S ε 0) is. For a constant)

【0036】よって、ポテンシャルディップδφは上記
不純物拡散層12の不純物濃度NDに比例することがわ
かる。したがって、不純物濃度ND を低くすることによ
ってポテンシャルディップδφは軽減されることにな
る。上記ポテンシャルディップを軽減することができる
と、電荷の取り残し量が減少して転送劣化が改善され
る。
Therefore, it can be seen that the potential dip δφ is proportional to the impurity concentration N D of the impurity diffusion layer 12. Therefore, the potential dip δφ is reduced by reducing the impurity concentration N D. If the potential dip can be reduced, the residual charge amount is reduced and transfer deterioration is improved.

【0037】そこで、上記電極16直下の不純物拡散層
12に電荷を蓄積するための電圧を印加したときのこの
CCD10のポテンシャルは、不純物拡散層12に空乏
層が形成される電位以上であれば、そのポテンシャルは
低ければ低い程望ましいことになるが、ポテンシャルが
低くなりすぎるとダイナミックレンジが低くなる。そこ
でダイナミックレンジを考慮すると上記ポテンシャルは
7V〜8Vの範囲内に設定されるのが望ましい。
Therefore, if the potential of the CCD 10 when a voltage for accumulating charges is applied to the impurity diffusion layer 12 directly below the electrode 16 is equal to or higher than the potential at which a depletion layer is formed in the impurity diffusion layer 12, The lower the potential is, the more preferable it is, but if the potential is too low, the dynamic range becomes low. Therefore, considering the dynamic range, it is desirable that the potential is set within the range of 7V to 8V.

【0038】上記説明したように、上記第1実施例のゲ
ート絶縁膜の膜厚条件と上記第2実施例のポテンシャル
条件とを満足することにより、図4に示すように、電極
16間の絶縁膜17下方におけるポテンシャルディップ
δφを大幅に低減して転送効率の悪化を防止するととも
に転送部の取り扱い電荷量を増加させることが可能にな
る。よって、性能に優れたCCD10となる。
As described above, by satisfying the film thickness condition of the gate insulating film of the first embodiment and the potential condition of the second embodiment, as shown in FIG. It is possible to significantly reduce the potential dip δφ below the film 17 to prevent the transfer efficiency from deteriorating and increase the amount of charges handled in the transfer portion. Therefore, the CCD 10 has excellent performance.

【0039】また上記説明では2相駆動方式のCCDで
説明したが、例えば3相駆動方式、4相駆動方式であっ
ても、上記説明した2相駆動方式と同様に転送劣化を改
善することが可能である。
In the above description, the CCD of the two-phase driving system has been described. However, even in the three-phase driving system and the four-phase driving system, the transfer deterioration can be improved similarly to the two-phase driving system described above. It is possible.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
電荷結合素子のゲート絶縁膜を20nm以上60nm以
下の範囲の膜厚に形成したので、転送部の取り扱い電荷
量を増加させることができる。また、電荷結合素子の電
極直下の拡散層に電荷を蓄積するための電圧を印加した
ときの電荷結合素子のポテンシャルが、拡散層に空乏層
が形成される電位以上10V以下の範囲内になっている
ので、ポテンシャルディップが小さくなって転送効率の
向上が図れる。
As described above, according to the present invention,
Since the gate insulating film of the charge coupled device is formed to have a film thickness in the range of 20 nm or more and 60 nm or less, it is possible to increase the amount of charges handled in the transfer section. Further, the potential of the charge-coupled device when a voltage for accumulating charges is applied to the diffusion layer immediately below the electrode of the charge-coupled device is within the range from the potential at which the depletion layer is formed in the diffusion layer to 10 V or less. Therefore, the potential dip is reduced and the transfer efficiency can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例の概略構成断面図である。FIG. 1 is a schematic configuration sectional view of an embodiment of the present invention.

【図2】転送効率とポテンシャルとの関係図である。FIG. 2 is a relationship diagram between transfer efficiency and potential.

【図3】CCD転送部の深さ方向のポテンシャル図であ
る。
FIG. 3 is a potential diagram in the depth direction of a CCD transfer unit.

【図4】ポテンシャルディップの改善例の説明図であ
る。
FIG. 4 is an explanatory diagram of an example of improving a potential dip.

【図5】従来例のCCD転送部の概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a conventional CCD transfer unit.

【図6】図5に示したCCD転送部の深さ方向のポテン
シャル図である。
6 is a potential diagram of the CCD transfer unit shown in FIG. 5 in the depth direction.

【図7】従来例のCCD電極配列下のポテンシャル図で
ある。
FIG. 7 is a potential diagram under a CCD electrode array of a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 CCD(電荷結合素子) 12 不純物拡散層 15 ゲート絶縁膜 16 電極 10 CCD (charge coupled device) 12 impurity diffusion layer 15 gate insulating film 16 electrode

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 拡散層の上方にゲート絶縁膜を介して複
数の電極を配列した電荷結合素子において、 前記ゲート絶縁膜は20nm以上60nm以下の範囲内
の膜厚に形成されていることを特徴とする電荷結合素
子。
1. A charge-coupled device in which a plurality of electrodes are arranged above a diffusion layer via a gate insulating film, wherein the gate insulating film is formed to a film thickness within a range of 20 nm or more and 60 nm or less. Charge coupled device.
【請求項2】 拡散層の上方に複数の電極を配列した電
荷結合素子において、 前記電極直下の前記拡散層に電荷を蓄積するための電圧
を印加した際の該電荷結合素子のポテンシャルは、前記
拡散層に空乏層が形成される電位以上10V以下の範囲
内にあることを特徴とする電荷結合素子。
2. A charge-coupled device having a plurality of electrodes arranged above a diffusion layer, wherein the potential of the charge-coupled device when a voltage for accumulating charges is applied to the diffusion layer directly below the electrode is A charge-coupled device, characterized in that the depletion layer is formed in the diffusion layer in a range of not less than a potential and not more than 10V.
【請求項3】 請求項2記載の電荷結合素子において、 該電荷結合素子は前記拡散層と前記電極との間にゲート
絶縁膜を設けたMOS構造を成すことを特徴とする電荷
結合素子。
3. The charge coupled device according to claim 2, wherein the charge coupled device has a MOS structure in which a gate insulating film is provided between the diffusion layer and the electrode.
【請求項4】 請求項3記載の電荷結合素子において、 前記ゲート絶縁膜は20nm以上60nm以下の範囲内
の膜厚に形成されていることを特徴とする電荷結合素
子。
4. The charge coupled device according to claim 3, wherein the gate insulating film is formed with a film thickness within a range of 20 nm or more and 60 nm or less.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014003243A (en) * 2012-06-20 2014-01-09 Canon Inc Solid state imaging device and camera

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