JPS5921189B2 - 電荷転送装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、転送チャンネルに例えば９００の折れ曲り部
もしくは１８００の折り返し部を有する電荷転送装置に
関する。

電荷転送装置は周知のように半導体基板の表面層におい
て信号電荷を所定の方向に転送する機能を有するもので
あり、その基本構成は信号の入力部を形成する信号入力
部、電荷転送部ならびに信号を出力する出力部とを具備
する構成であり、電荷転送部における信号電荷の転送は
転送用クロック信号を電荷転送部のゲート電極に供給す
ることによつて行われる。

第１図は電荷転送装置の代表的な構成例を示す平面図で
あり、図中１は入力部を形成する拡散領域、２は電荷転
送用のクロックパルスと同期したパルスφＳによつて入
力信号を標本化するためのゲート、３は注入電荷量を決
める基準直流電圧ＶＲが印加され、常時開の状態を保つ
ゲート、４は転送部第１段のゲートであり、これらによ
つて電荷転送線の入力部が構成されている。

電荷転送線は、その１段か転送用ゲート電極４．５．６
で構成され、これらが多段に接続された構成となつてい
る。また、電荷転送線の終段は拡散領域９、１０および
ゲート電極１１で形成される出力部に繋り、この出力部
にとりだされた信号電荷がソースフォロワを構成するＭ
ＯＳ型電界効果トランジスタＴＲを介して出力端子１２
に出力される構成となつている。なお、１３は入力端子
、１４はパルスφＳの印加端子、１５は直流電圧ＶＲの
印加される端子、１６は第１相のクロスパルスφ、の印
加される端子、ＩＴはクロックパルスφ、とは逆相関係
にある第２相のクｏ ’ｙクパルスφ２の印加される端
子、そして１８は電源電圧ＶＤＤの印加される端子であ
る。第２図は、第１図で示した電荷転送装置における電
荷転送線の第１段の構造と、この部分におけるポテンシ
ャル状態を示す図であり、第２図ａで示すように半導体
基板１９の表面上には一様な厚みでゲート酸化膜２０が
形成され、さらに、この上に転送用ゲート電極５〜８が
形成されているが、これらの端部は例えば図示するよう
に酸化膜２１を介して重り合う周知の重ね合せゲート構
造となつている。ところで、転送用ゲート電極物質とし
てはこの表面に他の電極との電気的な絶縁を行う酸化膜
を容易に形成することができ、しかも金属性の物質、た
とえば多結晶シリコン、アルミニウム等か用いられる。
また、半導体基板の導電型は被転送電荷か電子であると
きＰ型とされ、さらにクロツクパルスφ１とφ２の供給
線につなかるゲート電極５，７（以下移送ゲートと称す
）の下部に位置する半導体基板の表面層には、半導体基
板と同一導電型でこれより高い不純物濃度の拡散領域２
２が形成されているか、一方、クロツクパルスφ，とφ
２の供給線に繋るゲート電極６と８（以下蓄積ゲートと
称す）の下部には拡散領域２２は存在しない。なお、上
記の転送ゲート電極物質が多結晶シリコンであるときに
は、ゲート酸化膜２０ならびにゲート電極間の酸化膜２
１の厚みは、通常１０００〜１５００人程度とされる。

電荷転送線の１段の構造を上記のような構造とすること
により、転送か行われる時刻において被転送電荷に対す
るポテンシヤルを転送方向に関して非対称形とすること
ができる。

第２図ｂは第２図ａで示した電荷転送線部分におけるポ
テンシヤル状態を示す図であり、点線で示すポテンシヤ
ル状態はクロツクパルスφ１が高レベル″Ｈ″、一方、
クロツクパルスφ２が低レベノピＬ″のときの状態であ
り、また、実線で示すポテンシヤル状態はクロツクパル
スφ１が低レベル６Ｌ″、一方、クロツクパルスφ２が
高レベル６Ｈ″のときの状態である。

このポテンシヤル状態図から明らかなように、半導体基
板内に形成されるポテンシヤルは非対称形となるが、こ
の非対称形は拡散領域２２の作り込みによつて実質的に
得られている。ところで、以上例示してきた電荷転送装
置のように電荷転送線を一直線に配置する構成した場合
、人出力回路をも含む電荷転送線部分の面積に比して配
線等のために必要とされる周辺部分の面積は数倍の大き
さとなり集積度の著るしい低下を招く。

また、電荷転送線の段数が増大すると、この増大につれ
て半導体基板の形状が長大となり、その取り扱いが不便
となることに加えて機械的な強度が低下する不都合が生
じる。このため、電荷転送線の段数が比較的大きな電荷
転送装置の製作に際しては、第３図で示すように電荷転
送線に、たとえば１８０３の折り返し部を設けることに
よつてこれを屈曲させ、上記の不都合を排除する配慮が
払われている。

第３図は蓄積ゲートのみを実線で示した構式図であり、
図示する例では電荷転送線か折り返し部２３〜２６によ
り４回にわたる１８０折の折り返しを受けている。なお
、図中２７は入力部、２８は出力部そして２９はソース
フオロワ増幅器である。上記の折り返し構造を得るため
に不可決な折り返し部２３〜２６の構造として、従来は
第４図で示すような構造が採用されている。第４図は折
り返し部の具体的な構成とこの前後の電荷転送段の構成
について蓄積ゲートのみ図示した図であり、３０，３０
″は折り返し部の前段に位置する電荷転送段を構成する
蓄積ゲート、３１，３１″，３２，３２′，３３，３３
″および３４は折り返し部を構成する蓄積ゲート、３５
，３５′は折り返し部の後段に位置する電荷転送段を構
成する蓄積ゲート、そして３６，３７はチヤンネル遮断
領域である。すなわち、矢印×の方向へ向つて転送され
て来た信号電荷か蓄積ゲート３１から３４へ転送される
過程で１８０積折り返され、蓄積ゲート３５，３５′で
構成される電荷転送段以後の転送方向は矢印×の方向と
なる。なお、図において蓄積ゲート３０，３１，３２，
３３および３４はクロツクパルスφ１の供給線に接続さ
れ、一方、蓄積ゲート３０″，３１′，３２″，３３′
および３５′はクロツクパルスφ２の供給線に接続され
る。ところで、電荷転送線を折り返すための折り返し部
を設けた場合、この部分のゲート構造か直線部のゲート
構造とは必然的に異るものとなる。

図一 １示する
例では折り返し部は３一段の電荷転送段で構成されてお
り、直線部から折り返し部に入つた被転送電荷は３一段
の電荷転送線で折り返し転送を受けることになる。しか
しながら図示するところからも明らかなように、かかる
転送ゲート構造とした場合には電荷転送線を形成する転
送ゲートの１段あたりのゲート面積か直線部と折り返し
部において大きく異るところとなり、この差を１０％以
下に抑えることは容易でない。このゲート面積の違いは
暗電荷の涌出状態に変化をもたらし、特に電荷転送装置
を一時記憶装置として用いた場合には、信号出力への暗
出力の不均等な重畳によるＳＮ比の低下が生じる。また
、折り返し部のゲート長は直線部のそれに比して著るし
く長くなり、したがつてチヤンネル長そのものも長くな
る。この違いによつて電荷転送速度に変化がもたらされ
、転送効率が低下する不都合も生じる。さらに、電荷転
送線の直線部間の対向間隔Ａがゲート配線に 之必要と
される以上に広くなり、半導体基板の面積が増大する不
都合も生じる。本発明は、電荷転送線が屈曲する構造を
具備する電荷転送装置において、電荷転送線を屈曲させ
る部分たとえば折り返し部の存在によつてもたら １さ
れる不都合を排除するべくなされたものであり、電荷転
送ゲート電極列により構成される一連の電荷転送線路の
少くとも１箇所にその転送方向を４５送の整数倍の角度
で屈曲させる屈曲部が存在する電荷転送装置の前記屈曲
部を少くとも２個の １ゲート電極で構成するとともに
、同ゲート電極に電荷転送線路の直線部に対して転送チ
ヤンネル上において４５のの折れ曲りを付与したところ
に本発明の特徴がある。

以下に第５図を参照して本発明の電荷転送装置 二につ
いて詳しく説明する。

第５図は本発明の電荷転送装置における電荷転送線の屈
曲部とその前後の転送段のゲート電極構造を蓄積ゲート
のみを図示してあられした図であり、屈曲部は転送方向
を１８０あ折り返す構造となつている。

図中３８，３８′は折り返し部の前段に位置する電荷転
送段を形成する蓄積ゲート、３９，３９′，４０，４０
′，４１，４Ｖ，４２，４２′，４３，４３！，４４，
４４′，４５は折り返し部を形成する蓄積ゲート、４６
，４６″は折り返し部の後段に位置する電荷転送段を形
成する蓄積ゲート、そして３６および３７はチヤンネル
遮断領域である。

なお、上記の蓄積ゲートのうち、３８，３９，４０，４
１，４２，４３，４４，４５および４６はクロツクパル
スφ１の供給線に接続され、一方、３８″，３９″，４
０／，４Ｖ，４２″，４３″，４４″、および４６′は
クロツクパルスφ２の供給線に接続さ札直線部を矢印×
の方向へ向つて転送されてきた信号電荷は６±段の電荷
転送段で構成される折り返し部で、４５段の転送刀向の
折れ曲り転送を４回受け、実質的に１８０刀折り返され
て蓄積ゲート４６，４６″で構成される転送段以後の転
送方向は矢印×で示すように反対方向となる。ところで
、第５図で示すように、本発明の電荷転送装置における
電荷転送線の屈曲部は、これの構成要素である蓄積ゲー
トの連続する２個の蓄積ゲート３９″，４０，４１，４
『，４２″，４３ならびに４４，４４″がそれぞれ４５
，の折れ曲りを有しており、この蓄積ゲート構造とする
ことにより電荷転送線の折り曲げがなされる。

すなわち、蓄積ゲート３８′から４０′までの転送過程
で先ず１回目の４５３折り曲げが、蓄積ゲート４０″か
ら４２までの転送過程で２回目の４５ー折り曲げが、蓄
積ゲート４２から４３′までの転送過程で３回目の４５
ー折り曲げが、そして蓄積ゲート４３″から４６″まで
の転送過程で４回目の４５４折り曲げがなされ、この４
回にわたる転送線路の折り曲げによつて転送線路がＸ方
向からＸ方向と１８０げ折り返されることになる。なお
、図示する例では４５さの折り曲げが、４５おの折れ曲
りを有する蓄積ゲートを２個連続させることによつてな
されているが、この数は２個以上であればよい。以上の
ゲート構造とした場合、電荷転送線を形成する各ゲート
の面積を直線部と屈曲部において理論上は全く等しくで
きるが、第５図で示した構造によれば、下表に示すよう
に極めて近いかまたは等しい値となる。この表からも明
らかなように本発明のゲート構造の下では、直線部と屈
曲部に位置する蓄積ゲートの面積ならびに移送ゲートの
面積はほぼ等しいものとなり、従来のようにゲート面積
の違いならびチヤンネル長の違いに基く転送効率の低下
あるいはＳＮ比の低下等の不都合の発生がなく、被転送
電荷の折り返しが滑らかに行われる。

さらに本発明では、連結された蓄積ゲート３９，４２，
４５，３９′，４１′，４０，４１，４２′，４４′お
よび４３，４４に同一のクロツクパルス供給線を接続す
ることにより、例えば蓄積ゲート３９につなかる供給線
が断線しても、蓄積ゲート４２につなかる供給線により
蓄積ゲート３９にクロツクパルスを供給できるので、断
線事故を十分に保障できる。

因に、従来のものでは、直線部のゲート面積に対する屈
曲部のゲート面積の偏差か＋６０％程度とすこぶる大き
なものであつたのに対して本発明のものでは＋１０％以
内の小さな値とすることかできる。

また、第５図で例示した本発明の電荷転送装置では、チ
ヤンネル遮断領域の幅Ｂが従来のものにくらべて狭くな
り半導体基板面積を小さくする効果も奏される。

なお、以上の説明は２相クロツク電荷転送方式で、かつ
、転送チヤンネルか表面チヤンネルの電荷転送装置を例
になされたが、他の方式、たとえば３相または４相クロ
ツクによる方式あるいは２相クロツクφ，，φ２のいず
れか一方を直流電圧とする方式であつてもよく、また、
転送チヤンネルか埋込みチヤンネルモードを含む場合で
あつてもよい。

さらに、電荷転送路の折り曲げも１８０もの折り返しで
あるばかりでなく、４５も，９０もあるいは１３５るの
折り曲げなどであつてもよい。すなわち、４５るの折り
曲げの場合には第５図で示す４１以後のゲート電極か不
要となり、９０での場合には４Ｚ以後のゲート電極か、
１３５０の場合には４４以後のゲート電極か不要となる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は電荷転送装置の代表的な構成例を示す平面図、
第２図Ａ，ｂは第１図で示す装置の電荷転送線の１段の
構成とポテンシヤル状態を示す図、第３図は電荷転送線
を１８０シ折り返した構造とした電荷転送装置の概略図
、第４図は１８０造の折り返しを行うための従来の折り
返し部のゲート構造を示す図、第５図は本発明の電荷転
送装置において１８０、の折り返しを行うための折り返
し部のゲート構造を示す図である。 １・・・・・・入力部形成用拡散領域、２・・・・・・
入力信号を標本化するゲート、３・・・・・・常時開と
されるゲート電極、４・・・・・・信号電荷蓄積用ゲー
ト電極、５〜８・・・・・・電荷転送線の１段を形成す
るゲート電極、９，１０・・・・・・出力部形成用拡散
領域、１１・・・・・・出力部形成用ゲート電極、ＴＲ
・・・・・・ソースフオロワトランジスタ、１２・・・
・・・出力端子、１３・・・・・・入力端子、１４・・
・・・・φｓの印加端子、１５・・・・・・直流電圧Ｒ
の印加端子、１６，１７・・・・・・クロツクパルスφ
１，φ２の印加端子、１８・・・・・・電源電圧Ｖ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電荷転送ゲート電極により構成される一連の電荷転
   送線路の少くとも１箇所に、その転送方向を４５°の整
   数倍の角度で屈曲させる屈曲が存在する電荷転送装置に
   おいて、前記転送方向を前記４５°の整数倍の角度で屈
   曲させる屈曲部単位要素が、転送チャネル上において、
   電荷転送線路の直線部に対して４５°の角度の折れ曲り
   を有する少くとも２個のゲート電極を連続配置して形成
   されていることを特徴とする電荷転送装置。