PROCESS FOR THE NON-DESTRUCTIVE READING OF AN OUTPUT SIGNAL COMING FROM A CCD REGISTER AND DEVICE THEREFOR

Abstract: 1. A process for the non-destructive read-out from a shift register of a signal, which corresponds to the charge to be shifted in the shift register, which consists of charge-coupled MIS-capacitors arranged on a doped semiconductor body (1), wherein the potential on the semiconductor surface below at least one of the capacitor electrodes (6) is sampled and transferred as a control voltage to a voltage-controlled control device (10), characterised in that in the region (8) of the depletion zone which is formed in the semi-conductor body (1) on operating the capacitor electrode (6), a diffusion zone (7) which is connected to the input (9) of the control device (10) and is oppositely doped to the semiconductor body, is kept electrically floating in such manner that, on application of a voltage to the capacitor electrode (6), a charge which flows into the depletion zone and partially into the diffusion zone, produces a potential DIAM S in the diffusion zone (7) which corresponds to the surface potential produced by the capacitor electrode (6) in the charged state (B) of the capacitor in the underlying semiconductor surface and which is different in the uncharged state (A) of the capacitor in relation to the surface potential ; that, after leakage of the charge, the diffusion zone without the use of a separate feed-back voltage for the diffusion zone, assumes a value, which corresponds to the uncharged state of the capacitor, and that the difference DIAM D between the surface potential of the diffusion zone in the operated, charged state (B) of the capacitor, and the surface potential of the diffusion zone which corresponds to the operated, uncharged state (A) of the capacitor, is transferred to the voltage-controlled control device (10) as a read-out signal.

Description: Zerstörungsfreies Auslesen eines Signals aus einem CCD-Schieberegister Die Erfindung betrifft entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Verfahren zum störungsfreien Auslesen eines Signals aus einem Schieberegister, sowie eine Vorrichtung zur Durchftlhrung des Verfahren . Das Schieberegister besteht dabei aus auf einem dotierten Halbleiterkörper integrierten ladungsgekoppelten Metallelektrode-Isolafor-nlbleiter- Kondensatoren. Das Potential an der Halbleiterober- fläche unter einer Kondensatorelektrode wird abgetastet und als Steuerbefehl auf eine spannungsgesteuerte Steuereinrichtung gegeben. In der Elektronik werden zum Speichern und Verarbeiten von Signalfolgen häufig sog. CCD-(Charge-Coupled- Devices)-Schieberegister verwendet. Dabei handelt es sich um einen dotierten Halbleiterkdrper, dessen Oberfläche von einer dünnen Isolatorschicht bedeckt ist, über der eng nebeneinanderliegende Elektroden aus Metall oder einem gut leitendem Material (z.B. hochdotiertem Polysilizium) angeordnet sind. Es entsteht dadurch eine Reihe kapazitiv gekoppelter Metallelektrode-Isolator-#albleiter-(MIS) -Konden- satoren. Verden die Elektroden derart gegefluber dem Halbleiterkörper vorgespannt, dass die Ma#oritätsträger vom Substratanschluss abgezogen werden, so entsteht unter den Elektroden eine Verarmungsschicht, die keine Ladungsträger enthält oder, falls Minoritätsträger von aussen eingebracht sind, diese Minoritäts- träger speichert, sofern diese Elektrode stärker gegentiber dem Substrat vorgespannt ist als die Nachbarelektroden. Wird nun eine Nachbarelektrode mit einer erhöhten Spannung angesteuert, so entsteht beim Rücksetzen der ersten Elektrode auf das Ruhepotential ein Potentialgefälle zur zweiten Elektrode hin und die Minoritätsträger fliessen in diesen Kondensator ab. Die Ladung ist also von der ersten Elektrode in die zweite Elektrode verschoben und kann von dort weiter verschoben werden. Um nun das von einem derartigen #noritätsträger-Paket dargestellte Signal aus dem Schieberegister auslesen zu können, sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen entwickelt worden, wie sie z.B. von Carlo H.SEquin und Michael F.Tompsett in charge Transfer Devices", New York 1975, Seiten 52 bis 59 beschrieben sind. So kann z.B. am Ende des Schieberegisters eine Ausgangs-Elektrode (Ausgangsgate) und ein entgegengesetzt zum Halbleiter dotiertes Diffusions- gebiet an der Haibleiteroberfläche vorgesehen sein, wobei das Diffusionsgebiet mit dem Eingang eines Stromverstärkers kontaktiert ist. Durch entsprechende Ansteuerung des Ausgangsgate kann das in dem letzten Kondensator des Schieberegisters anstehende Ladungs paket in das Diffusionsgebiet verschoben werden und fliesst in den Stromverstärker ab. Durch eine R5ck- kopplung am Stromverstärker wird das iusgangsgebiet auf einer festen Spannung gehalten. Man kann auch neben dem Ausgangs-Diffusionsgebiet ein über eine Rücksetz-Elektrode mit diesem Diffusions- gebiet koppelbares zweites Diffusionsgebiet vorsehen. Das zweite Diffusionsgebiet wird dabei auf einem festen Betriebspotential gehalten, während das Ausgangsdiffusionsgebiet nur mit dem Steuergate eines NOS-Transistors verbunden ist. Bei entsprechender Ansteuerung der Rücksetzelektrode sind die beiden Diffusionsgebiete miteinander elektrisch verbunden und das Ausgangsdiffusionsgebiet liegt auf dem Betriebspotential des zweiten Diffusionsgebietes (Ruhepotential). Der Transistor, zwischen dessen Drain und Source z.B. ebenfalls das Betriebspotential des zweiten Diffusionsgebietes liegen kann, befindet sich dann in einem Schaltzustand, der der Ruhestellung entspricht. Wird nun durch entsprechende Ansteuerung des Rücksetzgates die Verbindung zwischen den beiden Diffusionsgebieten getrennt, so ist dass erste Diffusionsgebiet frei schwebend (Floating Diffusion). Wird dann durch Ansteuern des Ausgangsgates eine im letzten Kondensator anstehende Ladung in das Auagangs- Diffusions-Gebiet verschoben, so liegt am Steuergate des Transistors das von der Ladung hervorgerufene Potential des Diffusionsgebietes an und verändert den Schaltzustand des Transistors entsprechend. Anschliessend wird das Ausgangsdifftisionsgebiet wieder auf Ruhepotential gelegt, wobei die Ladung in das zweite Diffusionsgebiet zum zweiten Diffusionsgebiet abfliesst. In beiden Filzen findet also eine Zerstörung des Signals ja Schieberegister statt. Eine Möglichkeit zum zerstörungsfreien Auslesen besteht darin, dass neben einer Kondensatorelektrode eine nur mit dem Steuergate des Transistors verbundene, elektrisch frei schwebende Elektrode (Fbating Giti angeordnet ist, die das Potential, das an der Haibleiteroberfläche in Nähe des Kondensators vorliegt, abtastet. Um nach dem Auslesevorgang, d.h. wenn die Ladung aus dem Kondensator z.B. in andere Kondensatoren des Schieberegisters transportiert ist, das Potential des Floating Gates zu kontrollieren, ist eine eigene Rilcksetzschaltung oder eine kapazitive Kopplung mit einer weiteren Elektrode nötig, die unmittelbar über dem Floating Gate angeordnet ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zerstörungsfreies Auslesen aus einem CCD-Register ohne grösseren Aufwand zu ermöglichen, wobei insbesondere auf eine micksetzschaltung oder eine Anordnung mit übereinander angeordneten Elektroden verzichtet werden soll. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung gelöst durch ein Verfahren der eingangs angegebenen Art und die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Massnnhmen. Dabei wird im Bereich der beim Ansteuern der Kondensatorelektrode im Halbleiter auftretenden Verarmungszone ein entgegengesetzt zum Halbleiterkörper dotiertes Diffusionsgebiet, das mit dem Eingang der Steuereinrichtung verbunden ist, elektrisch frei schwebend gehalten. Beim Ansteuern der Kondensator- elektrode (Anliegen einer Spannung) verteilt sich die in die Verarmungszone einfliessende Ladung teilweise auch auf das Diffusionsgebiet und verändert das Oberflächenpotential dieses Diffusionsgebiete 5. Dieses Potential wird von der Spannung der angesteuerten Elektrode erzeugt und ist im wesentlichen gleich dem Potential an der Halbleiterober n kohe unter der angesteuerten Elektrode. Durch die einfliessende Ladung ist dieses Potential gegenüber dem Oberflächenpotential im angesteuerte, ungeladenen Zustand des Kondensators verändert. Durch entsprechendes Ansteuern einer Nachbarelektrode wird ein Potentialgefälle zu dem Nachbarkondensator erzeugt und die Ladung fliesst dorthin ab. Das Diffusionsgebiet nimmt ohne Verwendung einer eigenen Rücksetz- spannung ein entsprechendes Potential an. Die Differenz zwischen dem Oberflächenpotential#des Diffusionsgebietes im angesteuerten, entsprechend der eingeflossenen Ladung geladenen Zustand des Kondensators und dem Oberflächenpotential des Diffusionsgebietes im ungeladenen Zustand des Kondensators entspricht der Grösse der Signalladung und wird als Auslesesignal auf die spannungsgesteuerte Steuereinrichtung gegeben. Bevorzugt wird die Elektrode (Lese-Elektrode) nicht im Takt des CCD-Registers angesteuert, sondern auf einer konstanten Spannung zwischen der Ruhespanung und der Taktspannung der Nachbarelektroden gehalten. Beim Rücksetzen der im CCD-Register vorangehenden Elektrode ton Taktspannung auf Ruhe spannung entsteht dann ein Potentialgefälle im Halbleiter und die Signalladung kann unter die Lese-Elektrode fliessen. Entsprechend entsteht beim Ansteuern der nachfolgenden Elektrode ein Potentialgefälle zum nachfolgenden Kondensator, die Ladung fliesst vollständig ab und das Diffusionsgebiet nimmt ein Ruhepotential an, das allein von der Gleichspannung der Leseelektrode bestimmt wird (ohne Ansteuerung durch eine Rücksetzleitung). Vor teilhaft wird die Fläche der Leseelektrode gegenüber den anderen CCD-Elektroden vergrössert, damit der Lesekondensator die maximale Signalladung ganz aufnehmen kann. Vorteilhaft wird als Steuereinrichtung ein auf dem Halbleiterkörper integrierter MIS-Transistor verwendet, dessen Steuerelektrode auf das vom Diffusionsgebiet abgetastete Oberflächenpotential gelegt wird. Das Wesen der Erfindung wird anhand von vier Figuren und einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. In Fig. 1 ist mit 1 schematisch ein dotierter Halbleiterkörper, vorzugsweise ein Halbleiterkörper aus Silizium mit einer p-Dotierung von 1014 bis 1015 cm 3 bezeichnet und dessen Substratanschluss 2 angedeutet. Die Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 ist mit einer vorzugsweise oxidischen Isolatorschicht (z.B. SiO2) bedeckt, die in den ftlr die Kondensatoren des CCD Registers vorgesehenen Bereichen eine verhältnismässig geringe Dicke (Gateosid, 6Q nm), dazwischen eine grössere Dicke (Feldoxid, z.B. 600 nm) aufweist. Über der Isolatorschicht ist eine Elektrodenschicht 5, z.B. ein hochdotierter Polysilizium-Streifen, aufgebracht, deren über dem Gateoxid 3 liegender Teil die Elektrode eines MIS-Kandensators des Schieberegisters bildet. Neben einer dieser Kondensator- Elektroden 6 ist ein entgegengesetzt dotiertes Gebiet, z.B. mit einer i otierumg von 1018 bis 1020 cm 3 derart in der Halbleiteroberfläche angeordnet, dass bei einer positiven Vorspannung der Elektrode 6 gegenüber dem p-dotierten Substrat unter der Elektrode ein Verarmungsgebiet 8 entsteht, das das Diffusions- gebiet 7 einschliesst. Dieses Yerarmungsgebiet 7 ist mit dem Gate 9 eines MIS-Tranistors 10 kontaktiert, dessen Drain und Source mit 11 und 12 bezeichnet sind. Vorteilhaft ist dieser Transistor, der als Steuereinrichtung dient, ebenfalls auf dem Halbleiterkörper integriert. Seine Herstellung kann gleichzeitig mit der Herstellung des Schieberegisters erfolgen. In Fig. 2 ist ein Ersatzschaltbild gezeigt, aus dem die dabei auftretenden Kapazitäten entnommen werden können. Mit CD ist die Kapazität zwischen der durch die Signalladung aufgeladenen Halbleiteroberfläche des Kondensators und dem Substrat, mit COX die Kapazität zwischen der Haibleiteroberfläche und der auf Gate-Spannung UG liegenden Elektrode 6 bezeichnet. Zu diesen auch bei anderen Kondensatoren des Schieberegisters auftretenden Kapazitäten treten die mit bezeichnete Kapazität zwischen dem Diffusionsgebiet 7 und dem Substrat und die mit COxB bezeichnete Kapazität des Transistors hinzu. Die Elektroden liegen auf einem gegenüber dem Substratanschluss positiven Ruhepotential UO und werden kurzfristig auf ein höheres Potential UG gelegt. In Fig. 3 ist mit den Kurven 20 und 22 die mit UG-1 bzw. UG+1 bezeichnete Spannung an der im CCD-Register zur Leseelektrode vorangehenden bzw. nachfolgenden Elektrode beim Takten gezeigt. Die Kurven 21 und 23 zeigen die an die Leseelektrode angelegte Spannung UG für den Fall, dass die Leseelektrode im CCD-Takt getaktet bzw. ungetaktet auf einer mittleren Gleichspannung gehalten wird. Die einzelnen Spannungsimpulse überlappen sich dabei geringfugig, damit die unter einer Elektrode während eines Spannungsimpulse 5 gehaltene Ladung sich während der Überlappung auf beide Elektroden verteilen und nach dem Rücksetzen des Potentials der ersten Elektrode unter die nächste Elektrode fliessen kann. Mit den Kurven 25 und 26 ist das Oberflächenpotential unter der Lese-Elektrode Jeweils für die getaktete und ungetaktete Leseelektrode 6 gezeigt. Der Fall A liegt vor, wenn während des entsprechenden Impulses an der Elektrode 6 in dem Kondensator keine. Signalladung enthalten ist, und der Fall B, wenn Signalladung durch den Kondensator geschoben wird. Im Fall A folgt das Oberflächenpotential as im wesentlichen der der Elektrodenspannung UG. Dieses Potential wird von dem Diffusionsgebiet abgetastet und auf das Gate des Transistors 10 übertragen. Im Fall B, in dem Signalladung unter die Elektrode 6 einfliesst, wird ein Teil der Spannungsdifferenz zwischen der Elektrode 6 und dem Substratanschluss bereits durch die an der Oberfläche angesammelte Ladung abgebaut, das Oberflächenpotential nimmt daher geringere Werte an als im Fall A. Die Differenz ¯D des Oberflächen- potentials in den Fällen A und B entspricht der Menge der auszulesenden Ladung. W & rend der Uberlappung mit dem Takt der nachfolgenden Elektrode fliesst die Ladung in den nachfolgenden Kondensator ab und das Oberflächenpotential wird rückgesetzt. Dabei kann der Fall eintreten, dass bei Ansteuerung der Leseelektrode im CCD-Takt die Ladung nicht vollständig abfliesst und ein Ladungsrest zurückbleibt, so dass das Oberflächenpotential unter der Leseelektrode (und damit im Diffusionsgebiet) nicht vollständig auf den durch UG vorgegebenen Wert zurückgeht. Bei Ansteuerung der Leseelektrode mit einer ungetakteten mittleren Gleichspannung tritt dies nicht auf. Fig. 4 zeigt diese Verhältnisse beim Abfliessen der Signalladung, wobei die linke Seite den Potentialverlauf und die Ladung unter der getakteten Leseelektrode darstellt, insbesondere den verbleibenden Ladungsrest QD und die Abweichung des Potentials nach dem Rücksetzen. Die rechte Seite verdeutlicht, dass bei ungetakteter Leseelektrode stets eine konstante Restladung verbleibt, die weder das Potential nach den Rücksetzen noch die Signalladung beeinflusst. Das Diffusionsgebiet tastet das Oberflächenpotential unter der Elektrode 6 ab und gibt es an das Gate des Transistors 10 weiter. Die Signalladung selbst bleibt dabei erhalten. Am Transistorgate liegt dann also eine Steuerspanmine an, die im Falle A einen hohen Signalhub bewirkt, der der Signalladung O entspricht. Im Fall B ist der Signalhub entsprechend kleiner. Wird der Transistor z.B. zum Steuern eines Stromes verwendet, so entspricht der während des hohen Signalhubes fliessende Strom dem Zustand fehlender Signalladung und die Differenz der Ströme zum Fall des verringerten Spannungahubes entspricht der Grösse der fliessenden Signalladung. Die Kapazitäten CDB und C0x3 stellen dabei eine Belastung der Kapazität des Kondensators dar. Ein Teil OB der Signalladung fliesst in diese Kapazitäten. Dadurch wird der Spannungshub etwas verkleinert gegenüber dem Hub des Oberflächenpotentials unter einer Elektrode, in deren Sahe kein Diffusionsgebiet ist. Für QB gilt vereinfacht QB - CDB + COXB wobei allerdings % von ¯S abhängt. Die Belastung des :Kondensators mit den Kapazitäten CDB und COxB bewirkt daher, dass die Differenz der Spannungshübe zwischen dem leeren Zustand und dem Zustand mit Signalladung nicht mehr linear mit der Signalladung wächst. Jedoch zeigt es sich, dass diese Nichtlinearität geringgehalten werden kann, z.B. indem das Diffusionsgebiet auf eine kleine Fläche beschränkt wird. Diese Art der Auskopplung und des Auslesea erscheint vor allem sinnvoll bei grossflächigen CCD-Elektroden. Das Diifusionsgebiet kann dabei seitlich an der Elektrode 6 angeordnet sein, die Elektrode kann aber auch eine Aussparung aufweisen, unter der das Diffusionsgebiet angeordnet ist. 11 Patentansprüche 4 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zum zerstörungsfreien Auslesen eines einer in einem Schieberegister zu verschiebenden Ladung entsprechenden Signals aus dem Schieberegister, das aus auf einem dotierten Halbleiterkörper angeordneten ladungsgekoppelten MiS-Kondensatoren besteht, wobei das Potential an der Halbleiteroberfläche unter wenigstens einer der Kondensatorelektroden abgetastet und als Steuerspannung auf eine spannungsgesteuerte Steuereinrichtung gegeben wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Bereich (8) der beim Ansteuern der Kondensatorelektrode (6) im Halbleiterkörper (i) auftretenden Verarmungszone ein mit dem Eingang (9) der Steuerei#ichtung (io) verbundenes, entgegengesetzt zum Halbleiterkörper dotierte 5 Diffusionsgebiet (7) derart elektrisch frei schwebend gehalten wird, dass bei Anliegen einer Spannung an der Kondensatorelektrode (6) eine in die Verarmungszone (einschliesslich des Diffu sionsgebietes) einfliessende Ladung im Diffusionsgebiet (7) ein Potential PS erzeugt, das dem von der Elektrode in der darunterliegenden Halble iterobe rflächer erzeugten Oberflächen- potential entspricht (B) und gegenüber dem Oberflächenpotential im ungeladenen Zustand (A) verändert ist, und nach Abfliessen der Ladung das Diffusionsgebiet ohne Verwendung einer eigenen Rücksetzspannung für das Diffusionsgebiet ein entsprechendes Potential annimmt, und dass die Differenz ¯D zwischen dem Oberflächen- potential des Diffusionsgebietes im angesteuerten Zustand (B) des Kondensators und dem Oberflächenpotential des Diffusionsgebietes, das dem angesteuerten, ungeladenen Zustand (A) des Kondensators entspricht, als Auslesesignal auf die spannungsgesteuerte Steuereinrichtung gegeben wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Oberflächen¯ potential auf die Steuerelektrode eines als Steuereinrichtung dienenden, auf dem Halbleiterkörper integrierten MIS-Transistors gegeben wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kondensato#lek- trode auf einer Gleichspannung zwischen der kahesparmung und der Taktspannung der anderen Elektroden des Schieberegisters gehalten wird. 4. Vorrichtung zur DurchtUbrung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass auf einem dotierten Halbleiterkörper ein Schieberegister aus ladungsgekoppelten MiS-Kondensatoren angeordnet ist, dass die Halble iteroberfläche ein unmittelbar neben einer Kondensatorelektrode angeordnetes, entgegengesetzt dotiertes Diffusionsgebiet enthält und dass das Diffusionsgebiet mit der Steuerleitung einer Steuereinrichtung kontaktiert und elektrisch frei schwebend gehalten ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Diffusions- gebiet neben der Kondensatorelektrode angeordnet ist. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kondensatorelektrode eine Aussparung aufweist und das Diffusionsgebiet unterhalb der Aussparung angeordnet ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g g e k e n n z e i c h n e t , dass die Steuerein richtung ein auf dem Halbleiterkörper integrierter MIS-Transistor ist. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kapazitäten des Transistors und des Diffusionsgebietes klein sind gegenüber der Kapazität des MIS-Kondensators. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Fläche des Diffusionsgebietes klein ist gegenüber der Fläche der Kondensatorelektrode. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kondensatorelektrode mit einer Gleichspanngs- quelle verbunden ist. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kondensator- elektrode und die Elektrode des im Schieberegisters nachfolgenden Kondensators eine grössere Fläche besitzen als die Elektroden der anderen Registerkondensatoren.

Inventors: MAUTHE, MANFRED, DIPL.-ING., PFLEIDERER, HANS-JORG, DR., Pfleiderer, Hans-Jörg, Dr.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1979
Main classification: G11C19
IPC codes: H04N5, H01L29, G11C19, H01L21, G11C27