JPS58175A - 半導体装置 - 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】 本発明は、本導体本体を有する４相電荷結合装置を具え
る半導体装置であって、前記の牛導体本体が、Ｉ！Ｅｌ
ｉｉ群を蓄積および転送する為のクロック電圧を印加し
つる一列の電極を具え、これらの電極を、各々が４つの
電極より成る複数の群に配置し、各電極群の＠１電極Ｔ
ｔ第１クロックラインに接続し、第２電極をｍＷクロッ
クラインに接続し、第δ電極を第８クロツクラインに接
続し、第４電極を第４クロックラインに接続し％　ｔｉ
ｌｌのＩ！に後のＩＥ極を別個の接続線に接続するとと
もに続出し段のそばに存在させ、この読出し段の容量を
１互いに隣接する２つの電極の下に蓄積せしめつる最大
の電荷群を有する程度に充分大きくした半導体装置に関
するものである。

通常の電荷結合装置においては、読出し段が出力段を以
って構成されている。通常の出力段は、通常ＭＯ８Ｔホ
ロワ回路のゲート電極に接続され且つ抵抗或いはリセッ
トスイッチを経て所定電位に設定されつる出力領域すな
わち出力ダイオードを有している。この出力領域の前に
存在する最後の電極は通常出力ゲートと称されており固
定電位に設定するのが好ましいＯｎチャンネルＯＯＤ　
（電荷結合装置）の場合には、前記の固定電位は転送り
ロック電圧の最も負の電位の付近にあり、ｐチャネルＯ
ＯＤの場合には、前記の固定電位は転送りロック電圧の
最も正の電位の付近にある。従って、出力信号に対する
タロツタ電圧のクロストークを減少せしめることができ
る。更に、各電荷が出力ダイオード内に蓄積される為、
出力容量が制限されてしまう。

読出し段は必ずしも０ＣｒＤ装置の出力段と一致せしめ
る必要はなく、レジスタの一部を続出し段と出力段との
間に設けることができる。史に出力段の容置はダイオー
ドでなくＭＯＳコンデンサを以って構成し、このＭＯＳ
コンデンサの絶縁ゲートをＭＯ８Ｔホロワ回路に接続す
るようにすることができる。

決まる〕を処理しつる。ニューヨーク州でアカデミツク
プレスによって１９７５年に発行された本”　　Ｃｈａ
ｒｇｅ　　’ｒｒａｎｓｔ”ｅｒ　　ＤｅＶｉＯｅＳ　
　”　　ｔ　　Ｏ，Ｈ，１１！９ｑｕｉｎ　　およびＭ
、Ｆ、ＴＯｍｐＳｅ！ｔｔ氏著）ノ第６４〜６５頁には
、互いに重なるクロック電圧を用いることにより電荷客
ｔ＋信号値）をいかにして２倍にでき、これにより電荷
が２つの並置電極の下に常に蓄積されつるようにするか
が記載されている。本発明の主たる目的は、前記の作動
モードに適合し電荷群の読出しを改善しつる続出し或い
は出力段を提供せんとするにある。

本発明は、牛導体本体を有するる相電荷結合装置を具え
る牛導体装置であって、前記の半導体本体が１電荷群を
蓄積および転送する為のクロック電圧を印加しつる一列
の電極を具え、これらの電極を、各々が４つの電極より
成る複数の群に配置し、各電極群の第１電極をｌｌ１１
クロツクラインに接続し、第８電極を第２クロツクライ
ンに接続し１第８１１極を第８クロツクラインに接続し
、第４電極を第４クロツクラインに接続し、電極列の最
後の電極を別個の接続線に接続するとともに続出し段の
そばに存在させ、この続出し段の容置を、互いに隣接す
る３つの電極の下に蓄積せしめうる最大の電荷群を有す
る程度に充分大きくした牛導体装置において′、続出し
段の前方の後から２番目の電極がその下側の半導体本体
部分と相俟って、電荷が続出し段に転送される前に前記
の最大の電荷群を有する程度に充分大きい容量を形成す
るようにしたことを特徴とする。

本発明が基づいている認識を説明する為に、まず最初に
、互いに重なっているクロック電圧を用いた際に通常の
出力段ではいかなる状態が生じるかを説明する。

このようなりロック電圧を印加することにより、電荷を
Ｕいに隣接する２つの電極の下に常に蓄積しつる為、電
荷＃１１（電荷パケット）の値を、４つの空の゛バケツ
”において常に１つのみの充満した゛バケッ”を生ぜし
ぬつる場合の電荷群の値の８倍にしつる。この２倍の電
荷群は出力段の方向に転送させることができ、最終的に
出力ゲートの前の最後の２つの電荷の下の領域内に到達
する〇これらの双方の電極の下に電位の極小が存在する
限り、を荷群のすべての電荷が依然として蓄積されたま
まになりうる。、しかし、ある所定の瞬時に第１の電極
の下の電位の極小が消滅する為、第２の電極、すなわち
出力ダイオードから見たｚ＃＃目の電極の下に前記の２
倍の電荷群が蓄積される。

電荷群が最大値を有する場合には、後から２番目の電極
の下の電位が出力ゲートの下の電位のレベルに達するま
でに電荷が出力ゲートの下の電位障壁を経て出力ダイオ
ードに予め流れてしまうおそれがある。電荷の残りは、
後から２番目の電極におけるクロック電圧が変化すると
出力ダイオードに転送される。

従って、通常の構造の出力段では、電荷群が時間的に分
割されて出力段の容量内に到達する０本発明による構成
の出力段を用いることにより１出力ゲーシに適当に選択
した固定電圧が印加された状態で最大の（３倍の）電荷
群を前記の後から８番目の電極の下に蓄積せしめること
ができ、また適当と思えるいかなる瞬時にでも出力ダイ
オード或いは読出し用容量にまとめて転送せしめること
ができる◎ 本発明の簡単な好適例では、前記の後から２番目の電極
と半導体本体とで形成される容量をこの後から２番目の
電極よりも前の電極と半導体本体とで形成される容量の
２＠よりも大きくする６本例では、所定のクロック電圧
に対して、前記の後から８番目の電極よりも前の電極の
下の電位よりもわずかに低い電位障壁を出力ゲートの下
に形成でき、それにもかかわらずすべての電荷が前記の
後から２番目の電極の下に維持される〇容量の′大きさ
はＯＯＤ装置の周波数特性によっても決まる為、前記の
後から２番目の電極は、これよりも的の電極と半導体本
体とで形成される容量の多くとも８倍の容量を形成する
ように構成するのが好ましい。

図面につき本発明を説明する。

第１図は、本発明による電荷結合装置（ＯＯＤ）の一部
、すなわち本発明にとって重要な部分であって本例では
出力段と一致する続出し段を有する部分を示す線図的断
面図である。図面に示さない部分であって電気入力段を
有するようにすることのできる部分は通常の任意の構造
とすることができ□る。

上述した電荷結合装置は、電荷が少くとも殆んど半導体
本体の内部を経て転送される種類のものであり、この種
類の電荷結合装置はしばしば文献においてＦＯＯＤ　ｔ
イリスタルチック００Ｄ）或いはＢＯＯＤ　（バルクＯ
ＯＤ　）として知られている。本発明はいわゆる表面Ｃ
ＯＤにも適用できるが、本発明は上述したＢＯＯＤに用
いた場合に特に有利である。

その理由は、通常のＢＯＯＤにおいては比較的低い電荷
処理能力が本発明によって高められＸＴｈる為、である
。

本発明による電荷結合装置は半導体本体ｌを有し、この
半導体本体は特定例では珪素とするも、適当な他のいか
なる材料、例えばＧａＡｌ１とすることもできる。

半導体本体ｌは一導１Ｌ例えばｐ型の基板１ａを具え、
この基板１ａにはエピタキシアル成長或いはイオン注入
によりｎｊｌ！表面層ｌｂを設けるＯまたこのｎ型表面
層の厚さ全体に亘って一電子をバルク転送する為の空乏
領域を形成することができる＠ 半導体本体の表面ｚ上には電極８〜１１の列を例えば既
知の通常の重ね８層多結晶珪素構造で設ける。これらの
電極は８層多結晶珪素技術で設けることもできること勿
論である。更に、電極に対し多結晶珪素を用いる代りに
、例えば電極８．５゜７．９および１１に対して金属珪
化物或Ｉ／Ｘはアルミニウムを用いることができる。

半導体本体ｌと電極δ〜１３との間には誘電体層ｌδを
設ける。この誘電体層は上述した特定例では１ダさが約
１０００人の酸化珪素層を有するようにすることができ
るが、他の材料、例えば窒化珪素より成る層を有するよ
うにすることもできる０他の構成例、特に電極に対し適
当な金属を選択した構成例では、上述した例の層１８を
、逆方向にバイアスすべき整流ショットキ接合で置き換
えることもできる。

電荷結合装置を４相作動に適したように形成する為に、
電極３〜１２を、各々が４個の電極より成る群に配置し
、電極令および８を第１クロツクライン１４に接続し、
電極５および９を第３クロツクライン１５に接続し、電
極６および１ｏを第８クロツクライン１６に接続し、電
極８，７および１１を＠４クロックライン１７に接続す
る。

電極１１に秒〈位置には、本例では電荷群（パ□ケット
）を電荷結合装置から取出す出力段と一致する読出し段
を設ける。しかし他の例では、読出し段を出力段の前に
設はレジスタの一部によりこの出力段から分離させるこ
ともできる。出力段（或いは読出し段）は通常のいかな
る構造にすることもでき、これには続出すべき電荷群を
集める領域１８を設ける。この領域の一端は出力電圧Ｖ
。

を読出す為のホロワ回路１９のゲートに接続し、他端は
ＭＯ８ＴスイッチｚＯを経て、基準電圧ｖｒを生じる電
圧源に接続する。ＭＯ８Ｔスイッチ２０は・領域１ｓを
ソース領域として、電極２１を絶縁ゲート電極として、
電圧源ｖｒに接続された領域ｚ８をドレイン領域として
有する。

後に詳細に説明するように、クロック電圧電極８〜１１
には、電荷をその都度３つの隣接する電極の下に記憶せ
しめうるクロック電圧φ、〜φ、を印加することができ
る０続出し領域の容量は、印加電圧で１つの電荷群を領
域ｌｓ内に完全に蓄積しつる程度の大きさに選択する。

本発明によれば、領域１８の前方に存在する後から３番
目の電極１１がその下側の半導体本体の部分１ｂと相俟
って、電荷が領域１８に転送される前に１つの電荷群＊
〜へを有する程度に充分大きな容量を形成せしめる。電
荷が領域１ｓに早期に転送されるのを防止する為に、電
極１１が領域ｌｂとで形成する容量を、電極列８〜１０
の各２つの隣接する電極が領域１ｂとで形成する合計の
容量よりも大きくなるように選択する。

電極１１が領域ｌｂとで形成する容量は、各別に用いつ
る或いは互いに組合せて用いうる種々の方法で調整しつ
る。例えば、電極１１の区域ではドービンゲ濃度を高め
、これにより電荷群が表面２に一層近づいて蓄積される
ようにすることができるｏしかし本例では、電極１１の
寸法を適当に選択することにより容量を増大せしめる。

この点で穐”電極゛とは、電荷転送チャネル１ｂのすぐ
上に存在し蓄積−転送電極として作用する導体細条の部
分を主として含むものであると理解すべきである。導体
細条を半導体本体に投影して見て電荷転送チャネルの上
方に存在しないこれら導体細条の部分、すなわち第１層
の電極４，６．８およびＩＯに重なる第２層の電極３ｙ
５＋７１９および１１の部分は電極の有効部分の中に入
れない。

第１図の例では、電極δ〜１０を互いにほぼ等しい大き
さとする。電極１１は電極８〜１０の少くとも２倍の大
きさとする。一方では、電極１１の寸法があまりにも大
きくなることにより電荷結合装置の電荷転送速度に悪影
響を及ぼすようになることを避ける為に、他方では、電
極１ｊｌに印加する電圧の選択に所望の自由度を得る為
に、電極１１を電極８〜１０の約Ｓ、Ｓ倍の大きさとし
た。

電荷結合装置の作動を説明する為に第Ｓａ図および第８
図を参照する。第３ａ図はクロック電圧φ、〜φ４と、
電極！１におけるクロック電圧φ、と、出力電圧ｖ０と
を示し、ｗ１８図は半導体本体中に生じる電位分布を示
す。比較の為に、通常の出力段の構造を有する４相００
Ｄにおける電圧−１および出力電圧ｖ０を第２ｂ図に示
す。

上述した例、すなわち電子の形態の電荷群が層ｌｂ中を
移動するようにしたｎ型バルクチャネルを有するＯＧＤ
では、電荷は最も正の電圧を有する電極の下に蓄積され
る。順次のクロック電圧φ、。

φ　、φ　およびφ、は第８ａ図に示すように位相に８ おいて互いに少くとも９０°重なっており、いかなる瞬
時においても少くとも２つの隣接電極がオン状態となり
、電荷群当り２つの並［１１Ｆ１１極の容量を用いるこ
とができる。例えば、瞬時ｔ。においではφ、およびφ
３が正で、φ８およびφ、が負である。

第８図には、この瞬時において電極８およ−び９の下に
蓄積されている電荷群を斜線を付して示しである。この
電荷群は、互いに重なっているクロック電極を用いた場
合には、同じ振幅で互いに重ならないクロック電圧を用
いた場合に１情のみの電極の下に蓄積されつる電荷群の
２倍となる。

瞬時ｔ１においてはφ、およびφ、が正であり、φ、お
よびφ、が負であり、この状態では前記の電荷群が電極
９および１０の下に存在するｔｅａ図参照）。

瞬時ｔ、においては、φ８およびφ、が正で、φ、およ
びφ、が負である。この際電荷群は電極１゜およ′び１
１の下に蓄積される。

一時ｔ８においては、φ、およびφ、が正で、φ。

およびφ、が負である。従って、電荷群のすべてが電極
１１の下にのみ存在する。電極１１の有効面積を電極８
〜１０の有効面積の少くとも２倍に。すると、電極１３
に最も負の電圧を加えることにより電荷群が予め（続出
し前に）続出し領域１８に部分的に移動してしまうこと
なく電荷群のすべてを電極１１の下に蓄積せしめること
ができる。

電極１１の面積はより一層大きく、すなわち前方の電極
の面積の約１５倍の大きさに選択することができる為、
電極１１の下に生じる電位の井戸は完全には充填されな
い◎従って、電極１ｚには最も負の電圧ではなくそれよ
りもわずかに高い電圧を設定し、電極１ｍの下の電位障
壁が、電荷を領域１８に流すことなく電極１０の下より
もわずかに低くなるようにすることができる。電極１１
における電圧が変化しない限り、領域１８を前の信号（
この信号も斜線を付して示す）の読出しに用いることが
できる。

瞬時ｔ、においては、正電圧りを電極２１に設定し、こ
れによりトランジスタｚＯをオン状態にし、領域１８を
リセツＦ電圧ｖｒの点に接続する〇これにより、領域１
８内に蓄積されている電荷群がトランジスタ２０を経て
移動し、領域１８が電４１１の下に存在する電荷群を再
び蓄積しつる状態となる。ソースホロワ回路１９の入力
端にはクロックパルスφ、と同時に零信号ｖｆ得られる
〇瞬時ｔ、には電極１１における電圧φ、も負となる為
、電極１１の下の電位が増大する。電極１ｚの下の障壁
は電極１０の下よりもわずかに低い為、電荷が６ｊ＋＃
＆ｌｓ内に流れ、この領域１８にソースホロワによって
測定されるべき出力信号Ｖ。を生ゼしぬる。この信号値
を第ｇａ図にｖ８で表わす〇信号を読出す為にクロック
パルスφ１間の全期間が得られ、この期間内でφ、によ
って決まる瞬時に全信号が分割されずに領域１８内に転
送される。これと比較を行なう為に、第２ｂ図に、電極
１１が電極８〜１０と同じ或いはほぼ同じ寸法を有する
通常の出力段構造で生じる状態を示す。この場合、電４
１１（φ４）が正となり、電極９（φ、）が負となると
、電極１２の下の電位障壁が電極９の下の電位障壁より
もわずかに低い為に電荷のわずかの部分が予め流れ去っ
てしまう（ｊ６）ｎ従って、電Ｆｊｉ！１０（φＳ）が
負となる前に領域１８、を最初にリセットする必要があ
る（ｔ、］。この場合のみ負のクロック電圧を電極１０
（φ、）に印加することができる（ｔ８）。最大の電荷
群の場合には電荷群の手分の電荷が領域１８に予め流れ
てしまう。電荷の残部はφ、がｔ、で負になると転送さ
れる。従って、信号は時間的に分割されて出力領域１８
に到来する。従って、続出しを行ないつる有効期間が短
°かくなる。更に、出力電圧ｖｏから信号を取出すのに
追加の手段を構じる必要がある。これと相違して本発明
による装置においては電荷群のすべての電荷が電極１１
におけるクロック電圧によってのみ失まる一時に転送さ
れる。

本発明は上述した例のみに限定されず、種々の変更を加
えうること明らかである。例えば、本発明を表面電荷結
合装置に用いても有利である０史に、電極１１の容量は
、寸法を大きくする以外の方法で、例えば半導体本体を
局部的にドーピングすることにより、或いは酸化物層の
厚さを変えることにより、或いは酸化物とは異なり誘電
率が−層大きな誘電体（例えば窒化珪素）を局部的に設
けることにより、或いはこれらの適当な組合せにより高
めることもできる。

【図面の簡単な説明】

＠１図は本発明による４相００Ｄの一例を示す断面図、 第Ｚａ図は作動中に印加されるクロック電圧φおよびこ
れにより発生させられる出力電圧ｖ０を示す波形図、 第２ｂ図は既知の４相００Ｄにおいて作動中に印加され
るクロック電圧φ１およびこれにより発生させられる出
力電圧Ｖ０を示す波と図、第３図は第２ａ図に示すクロ
ック電圧で半導体本体内に生じる電位分布を示す線図的
説明図である。 ｌ・・・半導体本体　　　　１ａ・・・基板ｌｂ・・・
表面Ｊｔ　　　　　　２・・・ｌの表面３Ａ−１２，２
１・・・電極　　１８・・・誘電体層１４〜１７・・・
クロックライン １８・・・電荷群を集める領域（ソース領域）・１９・
・・ホロワ回路１　Ｇ−ＭＯ８Ｔスイッチｚ２・・・ド
レイン領域 特許出願人　　エヌ・べ−・フィリップス・フルーイラ
ンペン７アプリケン 第１頁の続き ０発　明　者　チオトラス・フェルナンド・スミット オランダ国ｂ６２１ベーアー・アイ ンドーフエン・フロエネヮウド セウエツヒ１ 手続補正書 昭和５７年　７月２１　日。 １、事件の表示 昭和５７年　特許　願第９６０５０　　号２、発明の名
称 半導体装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　称　　エヌ・べ−・フィリップス・フルーイランペ
ンファブリケン １、明細書第１？頁第５行の「増大」を「減少」に・訂
正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　半導体本体を有する４相電荷結合装置を具える半導
   体装置であって、前記の半導体本体が・電荷群【蓄積お
   よび転送する為のクロック電圧を印加しつる一列の電極
   を具え１これらの電極を、各々が４つの電極より成る複
   数の群に配置し、各電極群の第１電極を第１クロツクラ
   インに接続し、第２電極を第３クロツクラインに接続し
   、第８電極を第８クロツクラインに接続し、第４電極を
   第４クロツクラインに接続し、電極列の最後の電極を別
   個の接続線に接続するとともに読出し段のそばに存在さ
   せ、この続出し段の容量を、互いに隣接する２つの電極
   の下に蓄積せしめつる最大の電荷群を有する程度に充分
   大きくした半導体装置において、続出し段の前方の後か
   ら２番目の電極がその下側の半導体本体部分と相俟って
   、電荷が続出し段に転送される前に前記の最大の電荷群
   を有する程度に充分大きい容量を形成するようにしたこ
   とを特徴とする半導体装置Ｏ １特許請求の範＠１１記載の半導体装置において、前記
   の電極列のうち前記の後から３番目の電極がその下側の
   半導体本体と相俟って、互いに隣接する前記の３つの電
   極よりも大きな容量を形成するようにしたことを特徴と
   する半導体装Ｗ。 ＆　特許請求の範ｌ！！ｌ配戦の半導体装置において、
   前記の後からｚｌ目の電極よりも前方に位置する電極を
   面積において互いに等しい大きさとし、前記の後から３
   番目の電極の面積をそれよりも前方の電極の少くとも２
   倍にしたことを特徴とする半導体装置。 表　特許請求の範１！８記載の半導体装置において、前
   記の後から２番目の電極の面積をそれよりも前方の電極
   の多くとも約８倍としたことを特徴とする半導体装置〇 五　特許請求の範ｉ１！１−４のいずれか１つに記板の
   半導体装置において、前記の４本のクロックラインを、
   クロック電圧を電極に印加する手段に接続し、互いに隣
   接する電極に印加されるクロック電圧が位相において互
   いに少くとも９０°だけ重なるようにしたことを特徴と
   する半導体装［。