ДВУХФАЗНЫЙ ПРИБОР С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Заявляемая полезная модель относится к области техники создания приборов с зарядовой связью (ПЗС), в частности, к ФПЗС приемникам изображения.
В настоящее время ПЗС устройства, в том числе и многоэлементные ПЗС приемники изображения, вследствие применения кремниевой ПЗС-технологии с наноразмерными нормами проектирования, содержат в своем составе большое число фоточувствительных ячеек. Для коммутации считываемых с большого числа фоточувствительных ячеек зарядовых пакетов в ФПЗС устройствах необходимо применение современных ПЗС устройств (ПЗС регистров), которые обладают высокой эффективностью переноса зарядовых пакетов и малым размером затворов переноса. Кроме этого, такие ПЗС устройства должны иметь низкие значения питающих напряжений для уменьшения рассеиваемой в кристалле мощности.
2
Это является универсальной проблемой, которая имеет место в наиболее применяемых для этой цели двухфазных ПЗС. Известные двухфазные ПЗС (п. US 4910569 оп. 20.03.1990, п. US 5114833 оп. 19.05.1992, п. US 5298448 оп. 29.03.1994, п. US 5388137 оп. 7.02.1995, п. US 6720593 оп. 13.04.2004, з. WO 9002417 оп. 8.03.1990, п. EP 039663 оп. 14.11.1990, n. DE 68914984 оп. 3.11.1994, з. JP 2807523 оп. 8.10.1998) имеют первый и второй электроды фаз управления переносом заряда. Каждый электрод фаз управления переносом заряда содержит по два затвора переноса. Затворы переноса расположены над объемным каналом переноса, созданным в кремниевой подложке, и отделены от него слоем подзатворного диэлектрика. Затворы переноса выполнены из проводящего материала (поликремния) и электрически объединены на кристалле в электроды фаз управления переносом заряда металлизированной разводкой. В таких конструкциях над объемным каналом переноса между двумя затворами переноса существуют зазоры. Наличие зазора между затворами переноса обусловлено конечной толщиной диэлектрика изоляции затворов переноса (SiO). Проведенный анализ (см. IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 44 NO 10, Oct.  1997 p.p.1580-1586, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 44 NO 11, Oct. 1997 p.p.1869-1874) показывает неотвратимое образование паразитных потенциальных "карманов" в объемном канале переноса в области зазоров затворов переноса. Существование таких паразитных потенциальных "карманов" ограничивает эффективность переноса зарядов в канале переноса и частотные свойства двухфазных ПЗС. Это явление проявляется особенно негативно в области между двумя эквипотенциальными затворами переноса электродов фаз управления переносом заряда, так как "паразитный" потенциальный карман не может быть устранен внешними напряжениями между затворами переноса. Данное явление при уменьшении размеров затворов сохраняется и даже усиливается вследствие необходимости обеспечения высокого значения сопротивления изоляции и электрической прочности диэлектрика в зазоре между затворами переноса, и, как следствие, конечной величины толщины диэлектрика изоляции затворов переноса ~100÷1000 Å. Эта проблема присуща практически всем известным двухфазным ПЗС.
Известно, что улучшение эффективности переноса в двухфазных ПЗС осуществляется путем формирования более эффективных конфигураций электрических полей в области объемного канала переноса за счет его профилирования ионной имплантацией (п. US 3767983 оп. 23.10.1973, п. US 4910569 оп. 20.03.1990, п. US 5114833 оп. 19.05.1992, з. WO 9002417 оп. 8.03.1990, п. EP 039663 оп. 14.11.1990, n. DE 68914984 оп. 3.11.1994, з. JP 2807523 оп. 8.10.1998). Однако при уменьшении размеров затворов переноса и уменьшении питающих напряжений профилирование объемного канала переноса затруднительно и малоэффективно.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является двухфазный ПЗС по п. US 5114833 оп. 19.05.1992. Данное устройство содержит полупроводниковую подложку первого типа проводимости, объемный канал переноса второго типа проводимости, созданный в приповерхностной области подложки, а также затворы переноса зарядов, отделенные от канала переноса слоем подзатворного диэлектрика. Затворы переноса заряда организованы в двухфазную систему электродов управления - первых и вторых электродов управления переносом заряда ПЗС. Каждый электрод фазы управления переносом заряда содержит первые и вторые затворы переноса, выполненные из проводящего материала (для подложки из Si - затворы переноса из поликристаллического кремния). Электроды первых и вторых фаз управления переносом заряда ПЗС расположены друг за другом вдоль направления переноса заряда. Каждый такой электрод фаз управления переносом заряда содержит перекрывающиеся друг с другом первые и вторые окисленные затворы переноса (окисленные поликремниевые затворы для поликремневых затворов). В области объемного канала переноса под вторыми затворами переноса по всей их длине расположены области с более низкой концентрацией примеси второго типа проводимости. Первые затворы переноса покрыты слоем диэлектрика - слоем изоляции затворов (окислом кремния для поликремневых затворов). Вторые затворы переноса также покрыты слоем диэлектрика (окислом кремния для поликремневых затворов).
Конструкция прототипа и упомянутых аналогов содержит в области перекрытия между первым и вторым затвором переноса слой диэлектрика изоляции затворов - окисла межслойной изоляции. Данный слой создает зазор между затворами переноса, что является причиной разрыва эквипотенциальности в области перекрытия первого и второго затворов переноса. В свою очередь, это создает паразитные потенциальные "карманы" для перемещаемых в области объемного канала зарядов. Паразитные "карманы" снижают эффективность переноса двухфазного ПЗС за счет низкой эффективности экстракции заряда из паразитных "карманов" (см. IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 44 NO 10, Oct. 1997 p.p.1580-1586, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 44 NO 11, Oct. 1997 p.p.1869-1874). Таким образом, данная конструкция обладает существенным недостатком - низкой эффективностью переноса при низких питающих напряжениях вследствие наличия в конструкции прибора зазоров между затворами переноса в области перекрытия.
Заявляемая полезная модель решает задачу создания двухфазного ПЗС с увеличенной эффективностью переноса при низких питающих напряжениях и, как следствие, позволяет увеличить число элементов разрешения в ФПЗС без потери отношения сигнал/шум.
Данная задача решается тем, что в двухфазном приборе с зарядовой связью, содержащим полупроводниковую подложку первого типа проводимости, область подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости, сформированную в приповерхностной части полупроводниковой подложки первого типа проводимости, подзатворный диэлектрик, расположенный на поверхности объемного канала переноса второго типа проводимости, первые и вторые электроды фаз управления переносом заряда, расположенные вдоль направления переноса заряда, включающие расположенные на подзатворном диэлектрике частично перекрывающие друг друга первый и второй затворы переноса из проводящего материала с изолирующим их слоем диэлектрика и расположенные под вторыми затворами переноса по всей их длине области объемного канала переноса с пониженной концентрацией примеси второго типа проводимости, области перекрытия первых и вторых затворов переноса созданы по всей ширине объемного канала переноса непосредственно между проводящими слоями материалов затворов, образуя в этом месте единую токопроводящую конструкцию.
Такое техническое решение конструкции двухфазного ПЗС без зазоров между первыми и вторыми затворами переноса электродов фаз управления переносом заряда на поверхности подзатворного диэлектрика в направлении переноса зарядов обеспечивает эквипотенциальность области объемного канала переноса под первыми и вторыми затворами переноса и, следовательно, гарантирует отсутствие «паразитных» карманов для переносимых зарядов. Это позволяет увеличить эффективность переноса при низких питающих напряжениях. Как следствие, становится возможным увеличение числа элементов разрешения в ФПЗС без потери отношения сигнал/шум (см. «Полупроводниковые формирователи сигналов изображения" под ред. П.Йесперса, Ф.Ван де Виде и М.Уайта, изд. "Мир", М., 1979 г., с.270-272, 355, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 44 NO 10, Oct. 1997 p.p.1580-1586, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 44 NO 11, Oct. 1997 p.p.1869-1874).
На фиг.1 представлен фрагмент разреза кристалла двухфазного ПЗС.
На фиг.2 представлен дополняющий фрагмент разреза варианта кристалла двухфазного ПЗС.
На фиг.3 представлены временные диаграммы импульсов управляющих напряжений.
На фиг.4 представлены распределения потенциала канала - Uк двухфазного ПЗС регистра под затворами переноса в выбранные моменты времени при управляющих напряжениях, соответствующих временной диаграмме.
1
1
2
2
Заявляемый двухфазный ПЗС выполнен на основе кремния и содержит подложку 1 p-типа проводимости, фиг.1, приповерхностную область подложки с объемным каналом 2 n-типа. На поверхности области объемного канала 2 n-типа создан тонкий слой подзатворного диэлектрика 3 на поверхности которого, в свою очередь, нанесены слои поликремния и сформированы из них первые 4 и вторые 5 затворы переноса электродов фаз, управляющие переносом зарядов с изолирующим их слоем диэлектрика - SiO 6.. Под вторым затвором переноса 5 по всей его длине в области объемного канала переноса 2 созданы области пониженной концентраций примеси 7 n-типа проводимости.
3
3
Заявляемый двухфазный ПЗС также может быть реализована на основе приведенной конструкции, но с применением подложки с дополнительной областью n-типа 8, фиг.2, при этом, дополнительная область n-типа подложки 8 подключена к внешнему источнику питания с отрицательным потенциалом обратного смещения данной области 8, относительно области подложки 1 p-типа.
Подложка 1 подключена к точке нулевого потенциала. Первые 4 и вторые 5 затворы переноса электрически соединены друг с другом и образуют первые и вторые электроды фаз, соответственно. Первые электроды фаз переноса через один электрически соединены друг с другом и подключены к. единому электроду F1 9. Вторые электроды фаз переноса через один электрически соединены друг с другом и подключены к единому электроду F2 10, фиг.1, фиг.2, фиг.4.
1
2
Двухфазный ПЗС работает следующим образом. На электроды F1 и F2 подаются импульсные напряжения UF и UF в соответствии с временной диаграммой, фиг.3.
1
m
m+1
В момент времени t на электрод 9 F1 воздействует высокий уровень импульсного положительного напряжения, а на электрод 10 F2 - низкий уровень импульсного положительного напряжения. В результате воздействия данных напряжений под первыми затворами переноса 4 фазы F1 образуются потенциальные «ямы» для подвижных носителей зарядов, фиг.4. В соответствии с фиг.4, в ячейке переноса m двухфазного ПЗС под первым затвором переноса 4 локализован зарядовый пакет Q, а в ячейке m+1 - зарядовый пакет Q.
2
F1
m
m+1
В момент времени t происходит уменьшение потенциала U на электроде 9 F1 до низкого уровня. В результате этого локализация зарядовых пакетов, например, Q, Q остается прежней. Паразитные зарядовые карманы в зазоре d между электродами фаз F1 и F2 при этом также заполняются зарядом.
4
F2
m
m+1
m
m+1
В момент времени t импульсное управляющее напряжение U на электроде 10 F2 устанавливается в высокий уровень. Происходит перетекание зарядовых пакетов из-под первых затворов переноса 4 фазы F1 под первые затворы переноса 4 фазы F2. Зарядовые пакеты Q перетекают из-под первого затвора переноса 4 фазы F1 m под первый затвор переноса 4 фазы F2 ячейки m.Соответственно, зарядовый пакет Q перетекает из-под первого затвора переноса 4 фазы F1 m+1 под первый затвор переноса 4 фазы F2 m+1. При этом, потенциальные «карманы», образованные влиянием зазоров «d» между электродами 9 F1 и 9 F2 эффективно освобождаются от подвижного заряда Q, Q за счет тянущего поля, образованного разностью приложенных внешних напряжений между электродами 9, 10 (F1 и F2).
F1
F2
Аналогичным образом при циклическом воспроизведении изменений потенциалов U и U, фиг.3, происходит дальнейшее перемещение зарядовых пакетов.
14
-3
16
-3
16
-3
1
2
2
Двухфазный ПЗС с исключенными зазорами между первыми и вторыми затворами переноса электродов фаз выполнен на кремниевой подложке 1 p-типа проводимости с концентрацией р~5×10 см. Приповерхностная область подложки глубиною ~0,5 мкм объемного канала 2 создана с концентрацией n≈4×10 см. На поверхности слоя подзатворного диэлектрика 3 толщиною 500 Å сформированы первые 4 и вторые 5 затворы переноса из слоев поликремния толщиною ≈0,6 мкм. Области повышенной концентрации 7 n-типа проводимости с концентрацией n≈2,7×10 см. Суммарная длина затворов переноса 4 и 5 создана размером 6 мкм. Слой изоляции затворов 6 создан из окисла кремния и составляет величину 0,2 мкм.
Сравнительное измерение коэффициента неэффективности переноса, табл.1, показало, что на типичном двухфазном ПЗС с зазорами между затворами переноса, как в прототипе, и на заявляемом в качестве полезной модели, при одинаковом управлении низкими амплитудами импульсов управляющих напряжений значение коэффициента неэффективности значительно ниже.
Таблица 1.
Измеренные значения неэффективности переноса двухфазных ПЗС-устройств
Вид испытуемого двухфазного ПЗС-устройства
Амплитуда импульсов управляющего напряжения U<sub>F1, F2</sub>, В
Потенциал канала U<sub>k</sub> под первым затвором переноса 4, В
Потенциал канала U<sub>k </sub>под вторым затвором переноса 5, В
Частота импульсов управляющих напряжений, МГц
Коэффициентнеэффективности переноса, отн.ед.
Двухфазный ПЗС с зазорами между затворами переноса (прототип)
3
9
2
1
≈10<sup>-5</sup>
Заявляемый двухфазныйПЗС
3
9
2
1
≈(2÷3)×10<sup>6</sup>
Таким образом, заявляемый двухфазный ПЗС без зазоров между первыми и вторыми затворами переноса электродов фаз управления переносом заряда обеспечивает повышение эффективности переноса при сохранении низких амплитуд импульсов управляющих напряжений, и, как следствие, такая конструкция позволяет увеличить число элементов разрешения в ФПЗС без потери отношения сигнал/шум.
Заявляемое техническое решение применимо и для двухфазных ПЗС, выполненных на основе других полупроводниковых материалах, например на основе арсенида галлия.