专利名称：电荷耦合器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有一个半导体基体的电荷耦合器件，它包括与表面相接的第一导电类型的半导体层;用于至少在没有提供多数电荷流子时在整个厚度上耗尽该半导体层以避免击穿的装置;在该半导体层上面的表面上的一系列输送电极，输送电极由一阻挡层和半导体层分开，并被接到时钟电压源，以便在半导体层内形成与该表面分开的电位阱，用于存储和传送载有信息的电荷包;一个输入级，它包括提供上述多数电荷载流子的供给区和输入电极，此输入电极位于供给区和输送电极之间，以隔离层与该半导体表面分开，此输入电极使半导体层中随输入信号源可感生电位阱，用于在供给区和输入电极之间提供一电压差，它确定从供给区流入输入电极下面的电位阱中电荷载流子包的值;而为了获得上述电荷载流子包的值与该输入信号之间实际的线性关系，提供了一装置，用这装置在输入电极下可获得一电位阱，最小电位是位于比在输送电极下感生的电位阱更接近该表面的地方。
从美国4280068号专利说明书可知道这种电荷耦合器件。
离该表面一定距离处输送电荷，所谓成批输送的电荷耦合器件是熟知的、并指定以缩写BCCD(“掩埋沟道电荷耦合器件”)和PCCD(“蠕动电荷耦合器件”)表示。它们和模拟器件有区别，在模拟器件中，电荷输送是沿表面进行的，特别是输送效率基本上不受表面状态的影响。另外，在这器件中，由于电荷包和该输送电极之间的距离相当大，电荷的输送在相当强的电场的影响下进行。因此，BCCD型的器件一般以很高的速度进行工作。
对于大多数的应用，希望在输入电极下形成的电荷包的值随输入电极给定的输入信号值实际上呈线性地变化。
在BCCD型电荷耦合器件中，形成电位阱，那些最小的电位阱位于离半导体表面一定的距离。随着引入电荷包值的增加，存储的电荷总是处在更接近该表面。因此，电荷存储空间的容量是不恒定的，而是随电荷包的值而增加，以致于当输入信号变换为电荷包时导致非线性。因此，已设法消除在这种电荷耦合器件的输入特性中的这种不希望的非线性。为此目的，上述美国4280086号专利中建议在输入电极下产生一个电位阱，那些最小电位阱是位于比在输送电极下产生的最小电位阱离表面更小的距离的地方。由于研究已经表面，相当大量的电荷可存储在较接近该表面的地方而没有大容量的变化，在这方法中获得了更加线性的输入特性。
但是，研究已表明，在很多情况下使用这个措施。输入特性的线性也还是不够的。
本发明特别是它的发明目的是在所描述的这种电荷耦合器件中，完全或实际上完全地消除输入特性的剩余非线性。
本发明特别是根据对这事实的认识利用附加的掺杂或注入步骤，输入电容实际上完全由输入电极下的隔离层的(线性)电容决定，这是可能的。
根据本发明，在引言段落中的那种所述类型电荷耦合器件的特征在于按这样的方式在供给区和输送电极之间引入第二种相反导电型的掺杂物，以致于在供给区和输送电极之间的半导体层部分中第一导电型的净掺杂比该层的其余部分低。
根据本发明的电荷耦合器件输入特性的线性已大大地改善。这是由于在输入电极下的半导体层净掺杂较低。经这电极引入的电荷包被接收，大部分是由隔离层形成的电容接收。但是，小部分的电荷是由位于输入电极下的半导体层部分接收。
这剩余的电荷部分产生非线性，根据本发明的电荷耦合器件中，由于上述半导体区净掺杂的减少，剩余电荷大大地减少了，以致于输入特性实际上完全由隔离层的线性电容决定。
由于输入级用来以累加方式工作，就是说感生的电荷至少是存储在靠近表面的重要部分，每单位电极宽度的电荷输送容量将大于输送电极的电荷输送容量。因此，要选择输入级电极的宽度，使得这些电极的输送容量实际上等于输送电极的输送容量。因此，选择输入电极下的半导体层的净掺杂，使得在工作情况下，由于输入电极和输送电极之间阈值电压的差别，在输送方向得到一个附加的电场。
在很多情况下，在供给区和输入电极之间提供一个取样电极，用于对输入信号取样，这取样电极具有一装置，在取样期间用这装置在该半导体层可加上一电势，用这装置可阻挡从供给区向输入电极提供多数电荷载流子。
下面参考一个实施例和附图更全面地叙述本发明，其中
图1以截面示地表明根据本发明的电荷耦合器件，图2以平面视示地表明图1所示器件的电极结构部分，和图3表示加在电极的时钟电压随时间变化的情况。
这些图完全是示意图，而且没有按比例画出，为了清楚起见，特别是厚度方向的尺寸被放大了。在截面部分中，相同导电类型的半导体区一般是以相同的方向画交叉影线。在不同的图中的相应部分一般以相同的参考符号表示。
图1以截面示地表明了根据本发明的电荷耦合器件的实施例。按照本实施例的器件是用于象移(image transport)，但是本发明也可用于其它电荷耦合器件。本发明的器件包括半导体基体1，在本实施例中，它是由硅制成的，并有与表面2相接的第一导电类型的半导体层3，电荷输送在其中进行。
在本实施例中，层3由n型硅组成。层3的厚度和掺杂浓度是如此小，以致于至少在没有供给多数电荷载流子的情况下层3可在其整个厚度上耗尽而不出现击穿。在本实施例中层3是通过注入剂量为1.18×1012离子/平方厘米和能量为100Kev的磷离子形成的。层3的厚度为1.08μm，在本实施例中，在其下部与P型层4相接。层4和层3形成一个p-n结。层4是通过以90Kev的能量把剂量为9.0×1011离子/平方厘米的硼离子注入到深度3.8μm而形成的。层4下部与n型基片5相接。
必须指出，P型层4和n型基片5对本发明不是主要的。层3，例如，可以设置在一个隔离的基片上。
一系列的输送电极6、7、8装备在半导体层3上面的表面上，输送电极由导电条，例如，金属的或掺杂半导体材料的，如多晶硅导电条构成，并由阻挡层9与层3分开。在本实施例中，阻挡层9是由氧化硅隔离层构成的。但是，如果希望的话，也可以使用金属-半导体结(肖特基结)或另一种隔离材料层，如氮化硅做为阻挡层。
输送电极6、7、8经过时钟线φ1、φ2和φ3连接到时钟电压源10。图3举例表示，在时钟线φ1、φ2和φ3上，时钟电压V1，V2，和V3如何以时间t为函数变化的情况。通过这些时钟电压，正如已知道的，电位阱的移动图可在层3中产生，电位阱被势垒互相隔开，用于存储和输送载有信息的电荷包。
电荷是经输入级Ⅰ引入的(见图1)，输入级与输送部分T分开，且包括，用于提供多数电荷载流子的供给区11，在本实施例中，电荷由电子构成。在本实施例中，供给区是由高掺杂n型区11构成。这个区11接到电压源12上，它对供给区11提供一个输入信号，输入信号必须变换为电荷包。
输入级Ⅰ还包括位于供给区11和输送电极6、7、8之间的输入电极13，并且通过隔离层9与半导体表面2分开。利用加在输入电极13的电压V13、在半导体层3中感生一个电位阱，由此相应于输入信号值的电荷包在供给区11形成了。
在本实施例中，还有一个取样电极14，用于对供给区11和输入电极13之间的输入信号取样，用这电极，从供给区11到输入电极13的电子供应可被中断。
输入信号源12(见图1)接到供给区11，用于在供给区11和输入电极13之间加上电压差，该电压差确定电荷载流子包的值，在这种情况下，电子包从供给区11流入输入电极13下的电位阱。
由于在这种电荷耦合器件中，电荷载流子的输送在半导体层3内部进行，电极和电荷存储位置之间的电容一般随存储的电荷的数量变化，输入特性(电荷包的值为输入信号值的函数)一般是非线性的。在这里所叙述的器件中，提供了(开关)装置15，通过该装置可在输入电极13下获得电位阱，最小电位阱是位于比在输送电极下引入的电位阱更接近表面，以致输入电容更少取决于存储的电荷。
根据本发明，在供给区11和输送电极6、7、8之间还以这种方法引入第二(在这种情况是P)导电类型的掺杂在供给区11和输送电极6、7、8之间以点线20划界的半导体层3的部分中，第一(n)导电类型的净掺杂比在层3的其余部分小。在这个实施例中，这附加的P掺杂通过以能量为90Kev第二次注入剂量为1.1×1012离子/平方厘米的硼离子到深度4.0μm而获得。
由于靠近表面2具有最大电势的电位阱是在输入电极13下形成的，经电极13引入的电荷包的大部分被隔离层9构成的电容所接收。
按照本发明的措施，这个效应另外地加强了。由于在按照本发明的器件中，层3的n掺杂在输入电极13下减少了，其中接收的电荷比层3输送部分T中的更少。结果，输入电极下的整个电荷包实际上由隔离层9的线性输入电容接收。
图2以平面视示地表明输送电极6、7、8和输入级Ⅰ的电极11′、13和14。由图中看出，输入级的电极11′、13和14的宽度比输送电极6、7和8小。由于输入级电极的每单位电极宽度电荷输送容量比输送电极高，在输入级电极中电荷至少大部分是存储在表面。实际上输入级电极宽度最好这样选择，使得在输入部分和在输送部分中电极的输送容量实际上相同。
下面通过举例更完整地叙述该器件的工作情况。各种掺杂、电压等仅仅给出例子，在本发明的范围内，本领域普通技术人员对每个实际情况将选择适合该器件最佳工作的参数。
如在图1所表明的，基片5例如接到对地+15V的电压上。经过输出区22，直流电压例如20V加在层3上。在输送电极6、7、8和输入部分Ⅰ的电极13、14电压为OV时，层3可通过其厚度，至少在这些电极下耗尽。
如在图3所表明的，时钟电压V1，V2和V3在0和10V之间变化。当输送电极6、7或8接到10V时，在这电极下形成电位阱，其最大电位阱是位于层3中相对较深的地方，且电子可存储在其中。在电极电压为OV时，存储的电子转移到较高电位的相邻处。在两个相连的电位阱之间，电位势垒是由中间的电极形成的，它把两个电位阱相互分开。
输入电极13接到电压源15，它提供电压V13(见图3)。这电压V13在最低电平和最高电平之间变化，最低电平实际上等于时钟电压V1、V2、V3的最低电平。在这个例中最高电平V13是10V，在这电平下电荷存储在电极13下，这电平被设置得比供给区11的电压更高，而供给区的电压比输送电极6下的最低电位更高。
根据本发明，在电极13下的层3的掺杂大大减小了，使得在原处很少电荷可存储在层3中。因此，存储在这电位阱中的电荷载流子实际上可以在一个方向为层3和另一方向为电极13之间的电容中累加。因此，输入信号和输出电流之间的线性大大地改善了。在所述的实施例中，这线性大约为99%，因此实际上等于所谓表面CCD的线性。
在这个实施例中对硼的注入进行选择，使得由于在工作情况下输入电极13和输送电极6、7、8之间阈值电压的差别，在输送方向获得一电场，它对器件的工作速度是有利的。
在这个实施例中，在输入信号取样期间，在t1和t2之间的时间间隔内利用电压源21施加电压V14(见图3)，这电压等于电极13上的电压，这样在供给区11和输入电极13之间不存在电阈值。在瞬间t2，电压V14降为OV。因此，上述连接被取样电极14下的电位势垒中断。
在瞬间t3，输入电极13的电压降为OV，并且把OV电压V1加在电极6上。这样电极13下的电荷包输送到在电极6下形成的电位阱。在BCCD型电荷耦合器件常用的方法中，上述电荷包还利用时钟电压V1，V2和V3经过层3整体转移到输出端22，利用读出部件27读出信息。
本发明不限于这里所述实施例。在权利要求书中限定的本发明的范围内，本领域的技术人员可以作很多变化。
例如，各种掺杂不仅可以有不同的值，而且它们的符号还可以随所加电压倒换而同时地反向。另外，例如层3和4还可以用扩散或外延而不用离子注入的方法形成。还有，根据本发明的第二导电型掺杂的引入可不用注入，还能有以不同的方法，例如用扩散或注入与扩散组合的方法。电荷耦合器件的其它实施例(其中，可有利地使用本发明)被例如前述的美国4280068号专利描述，此专利的内容已包括在本申请中了。
在这个实施例中对硼的注入进行选择，使得由于在工作情况下输入电极13和输送电极6，7，8之间阈值电压的差别，在输送方向获得一电场，它对器件的工作速度是有利的。
在这个实施例中，在输入信号取样期间，在t1和t2之间的时间间隔内利用电压源21施加电压V14(见图3)，这电压等于电极13上的电压，这样在供给区11和输入电极13之间不存在电阈值。在瞬间t2，电压V14降为0V。因此，上述连接被取样电极14下的电势位于垒中断。
在瞬间t3，输入电极13的电压降为0V，并且把10V电压V1加在是极6上。这样电极13下的电荷包输送到在电极6下形成的电位阱。在BCCD型电荷耦合器件常用的方法中，上述电荷包还利用时钟电压V1，V2和V3经过层3整体转移到输出端22，利用读出部件27读出信息。
本发明不限于这里所述实施例。在权利要求书中限定的本发明的范围内，本领域的技术人员可以作很多变化。
例如，各种掺杂不仅可以有不同的值，而且它们的符号还可以有不同的值，而且它们的符号还可以随所加电压同时倒换而(同时)反向。另外，例如层3和4还可以用扩散或外延而不用离子注入的方法形成。还有，根据本发明可进行第二导电型掺杂的引入而不用注入，还有以不同的方法，例如用扩散或注入与扩散组合的方法。电荷耦合器件的其它实施例，(其中，更有利地使用本发明，)将被叙述，例如，在前述的美国4280068号专利、上专利的内容在本申请中已包括了。
权利要求
1.具有半导体基体的电荷耦合器件，包括与表面相接的第一导电类型的半导体层，用于至少在没有提供多数电荷载流子时在整个厚度上耗尽该半导体层而避免击穿的装置；在半导体层上面的表面上的一系列输送电极，输送电极由一阻挡层与半导体层分开，并被接到时钟电压源，以便在半导体层中形成与表面分开的电位阱，用于存储和输送带有信息的电荷包；一个输入级，它包括用于供给上述多数电荷载流子的供给区和输入电极，输入电极位于供给区和输送电极之间，以隔离层与半导体表面分开，输入电极使半导体层中随输入信号源可感生电位阱，用于在供给区和输入电极之间加上电压差，它确定从供给区流入输入电极下的电位阱的电荷载流子包的值；而为了获得上述电荷载流子包的值与输入信号之间实际上的线性关系，提供了一装置，利用这装置可在输入电极下获得电位阱，最小电位位于比输送电极下感生的电位阱更接近表面的地方，其特征在于以这样的方法在供给区和输送电极之间引入第二相反导电型的掺杂，以致于在供给区和输送电极之间半导体层的部分中第一导电类型的净掺杂低于该层的其余部分的掺杂。
2.根据权利要求1的电荷耦合器件，其特征在于，选择输入级电极的宽度，使得这些电极的输送容量实际上等于输送电极的输送容量。
3.根据权利要求1或2的电荷耦合器件，其特征在于选择输入电极下的半导体层的净掺杂，使得由于在工作条件下输入电极和输送电极之间阈值电压的差别，在输送方向获得一个附加的电场。
4.根据前面的权利要求中的任一个权利要求的电荷耦合器件，其特征在于在供给区和输入电极之间提供取样电极，用于对输入信号取样，该电极装备有装置，在取样期间利用该装置把电位加入半导体层，因而能够阻挡从供给区到输入电极供给多数电荷载流子。
全文摘要
电荷耦合器件包括第一导电型半导体层3；耗尽层3的装置；层3表面2上的输送电极6、7、8以阻挡层9与层3分开并接到时钟电压源10，以在层3中形成分开的电位阱来存储和输送载信息的电荷包。还包括具有供给区11的输入级I以供给多数电荷载流子、输入电极13、输入信号源15和用于在电极13下形成电位阱的装置，其最小电位比电极6、7、8更接近表面2。在区11和电极6、7、8间引入第二种相反导电型的掺杂，使部分I中净掺杂低于层3其余部分。
文档编号G11C27/04GK1055084SQ91101250
公开日1991年10月2日 申请日期1991年2月5日 优先权日1990年2月8日
发明者拉克希米·N·桑卡拉纳拉亚南 申请人:菲利浦光灯制造公司