JPS608634B2 - 単相電荷転送装置 - Google Patents

単相電荷転送装置

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JPS608634B2
JPS608634B2 JP57025826A JP2582682A JPS608634B2 JP S608634 B2 JPS608634 B2 JP S608634B2 JP 57025826 A JP57025826 A JP 57025826A JP 2582682 A JP2582682 A JP 2582682A JP S608634 B2 JPS608634 B2 JP S608634B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的には半導体電荷転送デバイスに関するも
のであるが、特に、各セルの一部の半導体表面に反転層
が含まれ、その反転層のヴアーチャル電極(virtu
alelectrode仮想電極または実効電極)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込みチャンネル型半導体単
相電荷結合デバイスCCDとそれを駆動する装置とを含
む電荷転送装置に関するものである。
近年、単相CCDは周知のものとなって来た。
例えば、ロバート・チャールズ・フライ(RoばてtC
harlesFひe)ほかに付与された米国特許第40
47215号には、CCDの信号チャンネル上に連続的
な導体ゲート層を設けた単相CCDが開示されている。
この単相CCDは表面チャンネル装置、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CCDで
ある。これらの周知の単相CCDは通常の単相CCDに
比べて、信号処理能力が4・さく、そして比較的大振幅
のクロックパルスが必要であり「それが大きな欠点とな
っている。 ・電荷転送デバ
イスの一種として最近、埋込みチャンネル型CCDが加
えられた。
盤込みチャンネル型CCDにおいては、半導体層内の誘
導チャンネルの中で可動電荷の蓄積および転送が行なわ
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ツピング効果が生じるが、埋込み
チャンネル型CCD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
におけるキャリア散乱がなくなるため、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
実現可能になる。さらに詳しくは、1974王7自発行
のlEEETransactionS on Elec
tron Devices 誌 Vol.ED.21,
No7の437〜447ページに掲載されたハムディ。
ェルシシ(HamdjEI‐Sjssi)ほか論文「埋
込みチャンネル型CCDの一次元的考察」(OneDi
mensionaI Study of Bmied
Channel ChargeCoupledDevi
ces)に説明されている。また、米国特許第4065
847号には、埋込チャンネル型単相CCDが開示され
ている。本発明の目的は単一レベル構造の利点を全面的
に生かすと共に性能面で多相CCDに匹敵する単相埋込
みチャンネル型CCDを提供することである。
本発明は多数セルの信号チャンネルの上に連続的または
パターン状に形成した単一導体層を設けた単相CCD構
造を提供する。
多数セル型信号チャンネルに含まれる各セルは4つの領
域、すなわち第1転送領域1、第1蓄積領域D、第2転
送領域m、第2蓄積領域W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
拡散が行なわれ、各領域の不純物分布はそれぞれ異なっ
ている。領域1と領域0とは第1部分に属し、領域mと
領域Nとは第2部分に属する。各領域固有の不純物分布
によって、ゲートオン状態、ゲートオフ状態時の各領域
内発生最大ポテンシャルが決定される。各セルの領域m
,Wの半導体表面には反転層が含まれ、この反転層によ
って、ゲート誘導によるポテンシャル変化からセル部分
が防護される。ゲートにクロック信号を印加することに
より、領域L Dのポテンシャル最大値は、領域m,W
の固定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ロのポテ
ンシャル最大値が領域1より高く、また、領域Wが領域
mより高ポテンシャルに保たれているから「電荷移動の
方向性が得られる。本CCDはさらに、半導体表面と単
相電極との間に密着した均一絶縁層を備えている。さら
に、電極に単相クロツクパルスを供給するための装置の
ほか、信号を入出力するための構造も設けられる。本発
明はまた「 4連続のイオン打込み段階を含むCCD製
作工程を提供する。
具体的にいえば、この製作工程は、P伝導型のシリコン
母体内のN型チャンネルを覆う酸化物層の中へ最初のド
ナー不純物を選択的に打込む段階から始まり、この段階
において、各セルの鏡城ロの不純物分布状態を固定する
ために後続段階で使用される第1の不純物補給源が得ら
れる。次に、各セルの領域1,ロが形成されるべきチャ
ンネル領域部分を覆う酸化物層上に、不純物混入ポリシ
リコンゲート電極がパターン形成される。このポリシリ
コンは、各セルの領域m,Wになるべきチャンネル領域
上の酸化物を除去するためのマスクとして利用される。
続いて、領域mを覆うホトレジストパターンが形成され
ると共に、各セル個所の領域Wに新たなドナー不純物が
打込まれる。その後ホトレジストは除去され、セル領域
m,Wの再びドナーィオンが打ち込まれる。そして、打
込み損傷の回復と、酸化物から領域ロへの不純物拡散を
行なうため、さらに、領域山,W内への不純物拡散を深
くするために、熱処理が行なわれる。最後に、前のドナ
−深度より浅く、領域m,W内にアクセプタ不純物が打
ち込まれ、これで各セル内の所要不純物分布の形成が完
了する。代替的なCCD製作工程においては、2回のド
ナーィオン打込みまたはドナーィオン拡散と、それに続
く2回のアクセプタイオン打込みまたはアクセプタィオ
ン拡散が行なわれる。
本発明の目的を達成するために領域0の不純物分布を修
正する必要はないので、各セルの領域0の不純物分布は
埋込みチャンネルへの不純物添加自身によって決定され
る。この実施例では、前述の実施例のパターンゲートと
は異なり、連続式ゲート電極が設けられる。本発明を実
施した単相CCD構造のチャンネル方向の一断面と、そ
の断面に対して垂直な断面が第1図に示されている。
CCDチャンネルはP型シリコン基板11の中に形成さ
れており、基板11のドーピング密度はほぼ1×1び5
肌‐3を上回るものとされるが、このド−ピング密度の
好適範囲は1×1び.5cm‐3〜1×1び8肌‐3で
ある。基板11の上面は第1図に示されるように、N型
チャンネル領域の長手方向にそって伸びた均一膜陣の絶
縁層12で覆われており、この絶縁層12の材質は通常
二酸化シリコンである。また、チャンネルの長手方向に
そって連続的にゲート電極13が広がっており、この電
極13はクロックパルス源に接続される。さらに、複数
のセルが互に分離された状態でチャンネルの長手方向に
伸びており、各セルの領域m,Wの表面にはP型反転層
14が含まれる。P型反転層14は各セルの上記領域が
ゲ−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ヴアーチャル電極として働く。
反転層の真下において、領域m,W内の埋込みチャンネ
ルのポテンシャル上限値は選択的打込みドナー15,1
6によって決定される。各セルにはさらに領域1,ロが
含まれ、これら領域においては、ポテンシャル上限値は
ゲートポテンシャルと打込ドナー17を含む不純物分布
とによって決定される。以上のように各セルは、ゲート
ポテンシャルの影響を受ける2つのポテンシャル上限値
とゲートポテンシャルの影響を受けない2つのポテンシ
ャル上限値、合計4つのポテンシャル上限値によって特
徴づけられる。第1図の構成ではさらに、チャンネル領
域内にN+領域を持つ入力滞積造(図示されていない)
が含まれ、そのN十領域は、電圧信号が入力されるオー
ム接触部を備える。
このCCD構造の第1セルのゲート導体の一部の下側に
は、浮遊N+領域が位置し、このN+領域は上記入力端
N+領域から分離されている。これら両N+領域の各部
の上を覆う絶縁層の上には、サンプリングパルスを入力
するための導体電極が設けられている。この電極には、
クロックパルス列の各オン期間ごとにサンプリンパルス
が供給され「浮遊N十領域が充電される。そして、浮遊
N+領域のポテンシャルは、入力端N+領域に印加され
る信号電圧の振幅によって決まるレベルにまで上昇する
。一方、クロックパルス列のオフ期間には、電荷は少数
キャリアパケットとして移動し、第1セルの導体電極下
の埋込みチャンネル内の浮遊N+領域から鏡域ロへと流
れる。この電荷パケットおよび後続の各電荷パケットは
ゲート電極へのクロックパルス列の印加によって、チャ
ンネルの出力端方向へ送られる。出力端構造(図示され
ていない)には、互に分離された1対のN+領域が含ま
れ、第1のN+領域はCCDチャンネルの終段セルの導
体電極で覆われている。
これらN+領域の間には絶縁層上の電極が伸び、この電
極は両N十領域の上に重なっている。第2のN十領域は
基準電圧を印加し得るようにオーム接触部を持ち、第1
のN十領域は、ソースフオロワ構成内で負荷抵抗に接続
された絶縁ゲートFETのゲートに接続されたオーム接
触部を持ち、CCDの出力信号が取り出される。上記の
入出力構造は単なる説明手段とて挙げた例であって、米
国特許第4047215号に記載されたものである。本
発明の範囲内で、その他の入力端構造や出力端構造、例
えば浮遊ゲートを採用することが可能である。チャンネ
ルに対して垂直に伸びた第1図の断面には、電荷転送領
域の横側界面の一方を画定するP十型チャンネルストッ
プ領域18が示されている。
チャンネル他方の横側界面はもう1つのP+型チャンネ
ルストップ領域(図示されていない)によって画定され
る。そして、チャンネルの各セルは、電荷転送領域がゲ
ート譲導による新たなポテンシャル変化を受けないよう
に遮蔽するためのP+型反転層14を備えている。また
、一方のチャンネルストップ領域をブルーミング制御構
造で置き換えることも可能である。第2a〜2d図は、
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
4つの埋込みチャンネル領域のそれぞれに関するポテン
シャル状態を、半導体母体の表面からの距離の関数とし
て表わしたグラフである。
これらのグラフを参照すると、あるセルから他のセルへ
の電荷パケットの転送の仕方が理解できる。第2a図は
ゲートオフ状態(わずかに正または負の状態)における
領域1,ロのポテンシャル状態を示すグラフである。こ
れらのグラフは例えば、領域1,0の両方に燐の打込み
拡散を行ない、さらに領域川こだけ枇素を浅く打ち込ん
だ場合に得られる。第2b図はゲートオフ状態における
領域m,Nのポテンシャル状態を示すグラフである。第
2c図はゲートオン状態における領域1,0のポテンシ
ャル状態を示すグラフである。第2d図はゲートオン状
態における領域m,Nのポテンシャル状態を示すグラフ
である。領域m,Wのポテンシャル状態は例えば、領域
mに少量の燐打込みを行ない、領域Wに多量の燐打込み
を行なってそれらを拡散させ、さらに両領域に等量の棚
素を浅く打ち込んだ場合に得られる。第3a図は領域1
,0の不純物濃度分布グラフである。
この場合、燐ドーピングは両領域に対して等量であるが
、枇素ドーピングは領域ローこ対してのみ行なわれてい
る。第3b図は領域m, Nの不純物濃度分布グラフで
ある。
この場合、棚素ドーピングは両領域に対して等量である
が、領域Nに対しては多量の燐ドーピングが選択的に行
なわれている。そして、領域1,01こ対する燐ドーピ
ング量は領域mに比べて少量である。第2a図〜第2d
図を参照すると、ゲートオフ状態においては下記の関係
が存在すると考えられる。
4maXD>◇maXI>中maXW>○maXm一方
、ゲートオン状態においては下記の関係が存在する。
JmaxW>Jmaxm>Cmaxロ>Jmaxl電荷
転送は、ゲート電圧がオフ状態からオン状態に低下して
再びオフ状態に上昇したときに行なわれる。
これを説明するため、領域D‘こ蓄積される電荷パケッ
トについて考察する。この領域のめmax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
。ゲート電圧がオン状態に向って低下して行くとき、?
maxロおよび?maxlは共に低下する。しかしなが
ら、領域m,Wの最大ポテンシャルは反転層の表面で一
定に保たれているためすmaxmおよび?maxWは実
質的に不変である。したがって、チャンネルストップか
ら出たホールは即座にチャンネル表面に吸引され、領域
m,Wはゲートポテンシャルから遮蔽される。その時点
で、領域Nのポテンシャルが最も高くなるから、この領
域Wに信号電荷が移動する。図示された空間14を占め
る小範囲のホール層はチャンネルストップから伸びて仮
想電極を形成する。逆樋性キャリアによるこのような仮
想電極形成とその信号電荷転送機能は本発明の最大の特
徴である。ゲートポテンシャルを再びオフ状態にまで引
き上げると、電荷は後続セルの領域ロへと流れる。第4
図には、各領域のJmaxがポテンシャル井戸の階段状
パターンで表わされている。ゲートオフ状態の場合は、
太線で示されるポテンシャル井戸パターンで表わされ、
そのパターンは領域mを始点として右側に下がって行く
4段階ポテンシャルパターンになっており、領域Dで最
低レベルに達する。一方、ゲートオン状態の場合は、領
域1を始点として領域Wの方へ段階的に下がって行く4
段階パターンで表わされる。このように、各後続隣接セ
ルへの所望の電荷パケット転送は単一電極にパルス列を
印加することによって行なわれる。本発明装置の製作工
程に関する一実施例が第5a図〜第5e図に示されてい
る。
この工程では、第5a図に示されるような、ドーピング
密度1×1ぴ3肌‐3〜5×1び6弧‐3のP伝導型の
単結晶シリコンウェーハ41が最初に使用される。この
ゥェーハにおいては、前もって、N型ドーピングとP+
チャンネルストップ領域形成によって埋込みチャンネル
領域が画定され、チャンネルの両端には入力手段と出力
手段が設けられている。次に、酸化法によって酸化ゲー
ト層42を所望の厚さ例えば1000オングストローム
にまで成長させる。そして、酸化層のパターン形成に続
いて、酸化層に硯素や燐、アンチモン等のドナー不純物
の選択的打込みが行なわれる。この打込み不純物は後述
の工程段階でシリコン表面に拡散される。次に、表面か
らホトレジストマスクを除去し、酸化層の上に不純物混
入ポリシリコン層44を設ける。
このポリシリコン層は、打込み領域の一部と、マスク4
3で打込みを防止した領域の一部とを露出するための閉
口を設けるために、第5b図のようなパターンに形成さ
れる。開口内のゲート酸化物は周知のエッチング法で取
り除かれる。その時新しく露出したシリコンウェーハは
酸化処理され、それと同時に、不純物混入多結晶シリコ
ンマスク44の上に酸化層が形成される。次に、各閉口
の一部と各酸化ポリシリコン領域の隣接部を覆う第2の
ホトレジストマスク45が第5d図のように形成される
。この時点で、酸化層を通してシリコンチャンネルの中
に新たなドナー不純物が打ち込まれる。そして、ホトレ
ジスト45は除去され、第5e図に示されるように酸化
物を通してシリコンチャンネルに再び新たなドナー不純
物が打ち込まれる。これでCCD製作に必要なすべての
ドナー不純物打込み処理が完了する。その後の熱処理工
程において、打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成される
と共に、酸化物内の不純物はシリコン内に拡散する。次
に、同じ関口から酸化物を通してシリコンチャンネル内
に、棚素、ガリウム、インジウム等のアクセプタ不純物
が打ち込まれる。
この打込み工程の後、打込み損傷の回復と打込み不純物
の活性化の目的で熱処理が行なわれる。以上で、正しい
ポテンシャル分布状態の形成に必要な不純物分布を得る
ための製作工程が終了する。最後に、ゲート電極として
働く不純物混入ポリシリコンパターン44に接触部が設
けられて、CCDが完成する。
本発明装置の製作工程に関するもう1つの実施例が第6
a図〜第6e図に示されている。
この実施例工程では、前述の実施例工程のものと同じ抵
抗率を持った第6a図に示されるような単結晶P型シリ
コンウェーハ51が使用される。このウェーハ51には
、P+チャンネルストップ領域であらかじめ画定された
N型の埋込みチャンネルが含まれ、さらに、従来技術に
よる基本的な入出力織機造が含まれている。しかし、こ
れらは本発明の製作工程が完了した後で付け加えてもよ
い。まず、熱酸化処理によって、例えば800オングス
トローム程度の厚さの酸化層52が成長形成される。続
いて、厚さ約400オングストロームの窒化シリコン層
53が酸化層上に形成される。次に、厚さ約3000オ
ングストロームの第2酸化層54が設けられ、この酸化
層は、領域m, Nになるべきチャンネル部分が選択露
出されるようにパターン形成される。続いて、シリコン
表面に突入し得るようにドナー不純物が適切なェネルギ
で、露出窒化層とその下の酸化層を通して打込まれる。
次に、第6b図に示されるように、各開□の一部とパタ
ーン形成された酸化マスクの隣接部分とを覆う構造の頂
上部の上にホトレジストマスク55が画定される。次に
、2回目のドナー不純物打込みが適切なェネルギで行な
われ、不純物は絶縁層を貫通し、シリコン表面に突入す
る。そして、ホトレジストが取り除かれ、熱拡散処理に
よって打込み不純物は半導体内部へ深く進入する。その
後、先にパターン形成された第6c図の酸化物マスクを
再び用いて、アクセプタィオンの打込みが行なわれる。
次に、前述のホトレジストマスクと実質的に同じパター
ンの第2ホトレジストマスクを作るように新たなホトレ
ジスト層がパターン形成される。先に画定された酸化物
マスクは選択エッチングで各区画の一部を取り除くこと
によって再画定され、それにより、第6d図に示される
各セルの領域1を覆う窒化層53の部分が新たに露出さ
れる。その後、第2ホトレジスト層は除去され、続いて
、2回目のアクセプタ不純物打込みが適切なェネルギレ
ベルで行なわれ、その打込不純物は窒化層とその下の酸
化層を貫通して、領域1,m,Wのシリコン表面に突入
する。その後、不純物活性化のための熱処理が行なわれ
て、各セル構造内の適正なポテンシャル分布を得るため
に必要な不純物分布形成が完了する。
パターン形成された酸化物層および窒化物層は除去され
、そこに、アルミニウムまたは酸化錫などの連続導体層
56が第6e図のように形成され、この層が単相クロッ
クの電極となる。第3図の不純物分布図は第5e図に示
される構造の不純物分布状態を表わす。
第6図で与えられる工程から得られる不純物分布により
、第2図と実質的に等しいポテンシャル分布が得られ、
適切なOCゲートオフセット電圧が生じる。第7図はセ
ルの各領域の最大ポテンシャルをゲート電圧の関数とし
て表わしたものである。
本CCDの性能を評価すると、信号電荷パケットを後段
セルへ移動させるために必要な電圧振幅が従来のCCD
の場合よりも小さくて済むことが第7図の曲線から分か
る。領域m,Nの最大ポテンシャルはクロック電圧とは
無関係であり、一方、領域1,ロのポテンシャルは周期
的に変化する。ゲート電圧がマイナス方向へ移行してい
くとき、ゲートオフ状態で領域ローこ蓄積されている電
荷は、領域0の最大ポテンシャルが領域町のポテンシャ
ル以下になるまでの間はそのままの状態に維持され「そ
の後、鏡域ロの蓄積電荷は領域mに移動する。そして、
領域Wのポテンシャルは常に領域囚の最大ポテンシャル
より高いから、領域皿こ移動した電荷はただちに領域W
に移動する。その電荷はゲートがオフ状態に転換した時
に次段セルの領域ロに移動し、以後、同様の動作が繰り
返される。上述のCCD製作法実施例は本発明の範囲を
限定するものではなく「本発明のCCDを製作するため
の好適実施例として述べたまでである。
また、N型シリコン基板を基本材料としてP型チャンネ
ルのCCDを製作する場合、各極性を逆にすればよいこ
とは明らかであろう。また、ア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−V、ローW化合物を
含む化合物半導体を使用することも可能である。本発明
の電荷転送デバイスは、全フレーム蓄型やライン。
アドレス型を含むCCD撮像装置、アナログプロセッサ
、メモリ、リニア。シフト8レジスタ「およびシリアル
。アクセス構成やシリアル・パラレル。シリアル句アク
セス構成やランダム。アクセス構成のメモリ装置等に実
施するのに有用であることは、当業者に自明であろう。
また、上記各実施例では、ブルーミング制御構造も内蔵
している。第5図の工程に従って面CCD撮像装置を製
作した例の結果を下記に示す。
チップ面積は43.1柵(11700び平方ミル)、ア
レー寸法は245×338ピクセル(画素)とした。不
純物打込みに用いられたヱネルギおよび線量は次のとお
りである。1回目 As 80KeV I.3x
lo 13伽−22回目 P 1 8 0KeV
I.0×101もの−23回目 P 18 0Ke
V 2‐0×1012cの−24回目 B 3
1KeV I.2×1013ので2以上の条件で製作さ
れた表示装置から得られた特性は次の通りである。
階電流 4M/の 電荷転送効率 99.99% ポテンシャル井戸容量(電子数) 25400〇個
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明によるCCD構造のチャンネル領域を縦
断面と垂直断面で示す拡大断面図、第2a図〜第2d図
はゲートオフ状態とゲートオン状態における各セル内の
4領域のそれぞれのポテンシャル分布を示すグラフ、第
3a図〜第3b図は第亀図の装置の各セル内の4領域の
それぞれの不純物濃度分布を示すグラフ「第4図は本発
明装置の動作に関連するポテンシャル井戸を示す図、第
5a図〜第5e図は本発明の実施例装置の製作工程を示
す図、第6a図〜第6e図は代替的な装置製作工程を示
す図、第7図はセルの各領域の最大ポテンシャルをゲー
ト電圧の関数として表わすグラフである。 参照符号の説明、18…・・。 半導体基板ト1小W…反転層、41,61……半導体基
板。(・夕,′ 斤咳20 斤汝2り ‘咳.2c 庁ぬ2〆 ‘汝30 ‘杉3ク 打ね.夕 (杉50 万杉.効 F杉.5c 斤夕5〆 斤夕.56 ‘/り.60 ‘/夕.60 (夕・6C ‘ンタ.a〇 斤わ.66 ^)りァ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 (a)(a−1)各々が第1領域と該第1領域の横
    に近接する第2領域とを有し、上記第1領域における電
    子の電位エネルギーが上記第2領域における電子の電位
    エネルギーより大である、複数個の半導体領域の第1部
    分と;(a−2)上記第1部分の間に位置し、各各が上
    記第1部分の上記第2領域に近接する第3領域並びに上
    記第1部分の上記第1領域と上記第3領域とに近接する
    第4領域とを有し、上記第3及び第4領域はそれらの最
    上部分の一導電型の表面層並びに上記表面層の下の反対
    導電型の埋込み領域とを有し、上記第3領域の上記埋込
    み領域における電子の電位エネルギーが上記第4領域の
    上記埋込み領域における電子の電位エネルギーよりも大
    である、複数個の半導体領域の第2部分と;(a−3)
    半導体領域の上記第1及び第2部分の上の絶縁層と;(
    a−4)上記絶縁層上にあって、半導体領域の少くとも
    上記第1部分の上に設けられた単一の導電層と;を有す
    る半導体電荷転送装置と; (b)上記複数の第1部分の上記第1及び第2領域に電
    界を与える為に上記導電層に接続され、交互に変化する
    信号の第1部分の間は上記第2部分の上記第4領域にお
    ける電子の電位エネルギーが上記第1部分の上記第1領
    域における電子の電位エネルギーより大となり、上記信
    号の第2部分の間は上記第1部分の上記第2領域におけ
    る電子の電位エネルギーが上記第2部分の上記第3領域
    における電子の電位エネルギーより大となるように交互
    に変化する信号を上記導電層に与えるクロツクパルス発
    生装置;とを有する単相電荷転送装置。
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