專利名稱：電荷耦合器件含有該器件的圖像傳感器裝置及裝有該裝置的攝象機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及埋溝型電荷耦合器件，所述電荷耦合器件包含一半導(dǎo)體本體，該本體具有一種導(dǎo)電型的電荷輸運(yùn)溝道，該溝道座落在一表面近旁并經(jīng)由一PN結(jié)進(jìn)入與第一導(dǎo)電型板反的第二導(dǎo)電型的鄰接層，所述表面?zhèn)渲靡幌盗邢嗬^的電極，這些電極被一層絕緣層隔離所述表面，并被連接到用來(lái)施加含有閉鎖電平和激勵(lì)平的時(shí)鐘脈沖電壓的電壓源上，在電荷輸運(yùn)溝道中感生一勢(shì)壘或勢(shì)阱的同時(shí)，選定所述閉鎖電平使得在半導(dǎo)體本體的表面發(fā)生導(dǎo)電型的反型。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及包含這種電荷耦合器件的圖象傳感器裝置。信息既可以用電的方式，即借助于一獨(dú)立的輸入級(jí)從外部電源來(lái)提供，又可以光學(xué)的方式通過(guò)半導(dǎo)體本體本身中入射輻射的吸收作用所產(chǎn)生的載流子來(lái)提供。在前一種情況下，可將電荷耦合器件用作存儲(chǔ)器或用作信號(hào)處理機(jī)，而在后一種情況下，則可將其用作圖象傳感器或攝象機(jī)中的傳感器。
在I.E.E.E.ElectronDeviceLetters卷ED-1、第7期(1980年7月)第131/133頁(yè)中公開(kāi)的N.J.Saks所著“埋溝電荷耦合器件(CCD)成象器中抑制由界面狀態(tài)所產(chǎn)生的暗電流的技術(shù)”文章中，特別可以了解到本說(shuō)明開(kāi)端所述的那種電荷耦合器件。
在電荷耦合器件中，要使泄漏電流或暗電流保持得盡可能低。例如，借助該器件作為存儲(chǔ)器時(shí)，泄漏電流在很大程度上限定最大存儲(chǔ)時(shí)間。在電荷耦合圖象傳感器裝置中，CCD的暗電流顯著地限制了靈敏度。眾所周知，通常大部分暗電流是由禁帶中表面狀態(tài)引起的。這些狀態(tài)在從價(jià)帶通過(guò)導(dǎo)帶時(shí)被電子用作中間站。之所以可顯著地減少CCD中的暗電流，是在于這些電子到導(dǎo)帶的第二步之前，借助于空穴與電子復(fù)合使這些表面狀態(tài)空出來(lái)。一種對(duì)它適用的方法是使表面反型，如前面提及的出版物中所述，由于該表面反型的結(jié)果，使該表面充滿空穴。該已知的裝置是CCD圖象傳感器，其中，在積分周期期間，將這種電壓加到各電極使所述輸運(yùn)溝道的整個(gè)表面呈現(xiàn)反型。其缺點(diǎn)在于積分電極下面的半導(dǎo)體表面也呈現(xiàn)反型。由于表面電位實(shí)際上完全是由反型層中的電位所確定的，所以各電極的電荷隔離功能(一般通過(guò)對(duì)各電極加上不同電壓)，實(shí)際上完全消除了。因此如在出版物中已指出的那樣，就應(yīng)以不同的方式來(lái)獲得在相繼電荷包之間的分隔。
本發(fā)明的目的是提供一種電荷耦合器件，在該器件中，可借助于在一反型屋中的復(fù)合而將泄漏電流(暗電流)保持很低，同時(shí)可按通常方式，更具體地說(shuō)，通過(guò)在各電極間的適當(dāng)電位差來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷隔離。
按照本發(fā)的電荷耦合器件，其特征在于選定激勵(lì)電平，以致僅在表面出現(xiàn)耗盡現(xiàn)象，而在工作期間僅對(duì)與至少一部分所述電極部分相應(yīng)的電荷輸運(yùn)溝道的表面部分交替地發(fā)生耗盡，在該種情況下，信號(hào)電荷可存儲(chǔ)在電極下面，并發(fā)生反型。
在按照本發(fā)明的器件中，電荷存儲(chǔ)于其中的部分電荷輸運(yùn)溝道并非永久不變的，而只是周期性地發(fā)生反型。于是利用上述事實(shí)，即經(jīng)由表面狀態(tài)(陷阱)的暗電流的產(chǎn)生是一種時(shí)間常數(shù)在其中起到重要作用的過(guò)程。當(dāng)表面部分不反型且信息存儲(chǔ)在溝道的有關(guān)部分的周期選定得充分短時(shí)，就可避免來(lái)自價(jià)帶的電子填滿過(guò)量的陷阱因而引起暗電流的產(chǎn)生。雖然，總的暗電流可能比溝道的整個(gè)表面永久性地發(fā)生反型的情況下稍微大些，但實(shí)際上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在按照本發(fā)明的裝置中是有可能將暗電流保持得很低的。同時(shí)，由于局部不存在一反型層，可將電荷存儲(chǔ)在相當(dāng)深的勢(shì)阱中，為此，可使相繼的電荷包令人滿意地相互分隔開(kāi)。
可將本發(fā)明有利地用于諸如存儲(chǔ)器濾波器、信號(hào)處理機(jī)、多路轉(zhuǎn)換電路，以及諸如此類的各自的CCD系統(tǒng)中。將其用于CCD圖象傳感器可獲得特殊的優(yōu)點(diǎn)，其中的電荷包是在T.V.系統(tǒng)約為20毫秒的一個(gè)幀周期期間存儲(chǔ)在存儲(chǔ)位置中。
在一個(gè)盡可能避免從時(shí)鐘信號(hào)至輸出信號(hào)的串?dāng)_的重要最佳實(shí)施例中，其特征在于在將電荷包存儲(chǔ)在所述電荷存儲(chǔ)位置中的周期內(nèi)，使該存儲(chǔ)位置的內(nèi)電極處的電壓在與處于讀出兩相繼行的步驟間的行回掃時(shí)間一致的周期內(nèi)周期性地進(jìn)行變化。
參照一實(shí)施例和附圖將對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，附圖中

圖1表示應(yīng)用本發(fā)明的幀轉(zhuǎn)移型(FTType)的CCD傳感器;
圖2是圖1裝置的傳感器部分中CCD寄存器之一的縱向剖面圖;
圖3表示作為時(shí)間t的函數(shù)加到圖1中所示裝置上的時(shí)鐘脈沖電壓Φ1、Φ2、Φ3和Φ4;
圖4表示當(dāng)這些時(shí)鐘脈沖電壓處于四個(gè)時(shí)刻時(shí)在CCD溝道中的電位分布圖。
圖5表示硅的能帶圖，圖6表示作為所加電壓函數(shù)的泄漏電流減小的曲線圖。
應(yīng)該指出，圖1和圖2是示意性而不是按實(shí)尺比例的。應(yīng)當(dāng)更具體地指出，雖然在圖1中僅示出八條平行溝道5，但實(shí)際上總的溝道數(shù)要顯著大得多。
參照FT型的電荷耦合圖象傳感器將對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。然而，應(yīng)該始終注意到本發(fā)明并非僅局限用于FT傳感器，而是可用于任何埋溝電荷耦合器件中的。圖1表示一種FT傳感器的已知示意圖，該傳感器包含一個(gè)圖象傳感器部分1，一個(gè)存儲(chǔ)器部分2，以及橫向讀出寄存器3，寄存器3的輸出被連接到一個(gè)輸出放大器4。傳感器部分1和存儲(chǔ)器部分2是由電荷輸運(yùn)寄存器5的面層構(gòu)成的，構(gòu)成傳感器部分1，且準(zhǔn)備在其上感測(cè)圖象的頂部是凸出的，使之易于受到輻射。所述部分2和3幾乎全部制成為不易受到輻射的，例如，用一鋁(Al)層覆蓋住這些部分的表面。通過(guò)將時(shí)鐘電壓加到時(shí)鐘脈沖電極上就發(fā)生電荷的輸運(yùn)，所述電極安置在傳感器部分1、存儲(chǔ)器部分2和橫向讀出寄存器3的上面。圖1中，僅示出四個(gè)電極與有關(guān)的時(shí)鐘脈電壓Φ1、Φ2、Φ3和Φ4。
圖2是該裝置沿在圖象傳感器部分中部分電荷輸運(yùn)溝道的剖視圖，電荷從左向右輸運(yùn)。該裝置包含一n型襯底6，該襯底對(duì)在過(guò)曝光情況下所產(chǎn)生的載荷子起泄漏的作用。這方面可能考荷蘭專利申請(qǐng)“對(duì)圖象模糊不靈敏的圖象傳感器裝置及其制作方法”，該專利申請(qǐng)?zhí)枮?304035，以本申請(qǐng)人的名義在1983年11月24日提出申請(qǐng)，并于1985年6月17日公開(kāi)讓公眾審查。在n型襯底6的表面?zhèn)渲靡粚酉喈?dāng)薄的p型層7，該p型層將n型襯底6與構(gòu)成CCD垂直溝道5之一的n型表面層8分隔開(kāi)。時(shí)鐘電極10a、10b、10c、10d、11a、11b、11c、等等安排在該表面以上，使其由柵電介質(zhì)9從那里加以隔離。為清楚起見(jiàn)，圖中示出的電極一個(gè)在另一個(gè)的近旁。然而，實(shí)際上，這些電極取多層布線方式彼此部分重疊的。通過(guò)時(shí)鐘脈沖13、14、15和16將電極連接到電壓源17，后者供給時(shí)鐘脈沖電壓Φ1、Φ2、Φ3和Φ4。應(yīng)該指出，本裝置構(gòu)成一個(gè)四相CCD。然而，從下面看來(lái)，好像這是全無(wú)必要的，但本發(fā)明還可用于任何其他已知的n相CCD設(shè)備中。圖3中示出的時(shí)鐘脈沖電壓Φ1、Φ2、Φ3和Φ4作為時(shí)間t的函數(shù)有兩種電平，即在層8中感生勢(shì)壘的一種低電平，以及在電極下面感生勢(shì)阱的一種高電平，在該勢(shì)阱中存儲(chǔ)電荷包。選擇所述低電平，使n型層8與介電層9之間界面18處建立起空穴的反型層。按照本發(fā)明，時(shí)鐘Φ1、Φ2、Φ3和Φ4的正電平要選擇得使該電壓下的n型層8不發(fā)生反型，但卻處于最大耗盡狀態(tài)，也就是說(shuō)，使之形成一種在表面處不出現(xiàn)可移動(dòng)的載流子狀態(tài)。為了避免在激勵(lì)電壓電平下電極下面出現(xiàn)過(guò)大的暗電流生成，就要使電壓變化，以便在這些電極下面的表面部分交替地處于耗盡和反型狀態(tài)。
對(duì)于本文所描述的FT傳感器說(shuō)來(lái)，這意味著起4相CCD作用的圖象傳感器部分中，在一組有五個(gè)相繼電極的積分周期期間，電荷存儲(chǔ)位置是由第一和第五電極(例如，電極10a、11a中)下面的勢(shì)壘加以限定的。加到電極10a、11a的電壓Φ1是如此低，以便這些電極下面發(fā)生反型。將在激勵(lì)電平與閉鎖電平間變化的交變電壓加到電極10b、10c、10d，在傳統(tǒng)裝置中的積分期間這些電壓則處于直流(D.C.)電壓電平狀態(tài)。結(jié)果，使這些電極下面的表面部分周期性地發(fā)生反型和耗盡。為了避免對(duì)輸出端4的輸出信號(hào)的串?dāng)_，電壓ψ2、ψ3和ψ4在積分周期中僅在行回掃時(shí)間進(jìn)行變化。本發(fā)明利用如下事實(shí)，即暗電流的生成是一種借助陷阱而引起的過(guò)程，而且，時(shí)間常數(shù)起重要的作用。為了說(shuō)明這點(diǎn)，圖5示出硅的能帶圖。占有能級(jí)的最低能帶用Ev(價(jià)帶)表示，而處于上面的容許狀態(tài)的能帶用Ec(導(dǎo)帶)表示。陷阱19則約在禁帶中途示出。在陷阱或至少陷阱的大部分由一反型號(hào)排空后，它們將從價(jià)帶以時(shí)間常數(shù)τ再度被電子填滿。同時(shí)，許多電子將從陷阱流向?qū)c，這在時(shí)間常數(shù)τ2下發(fā)生。平衡狀態(tài)以時(shí)間常數(shù)τ3得到，據(jù)此，它保持下式關(guān)系1τ3=1τ1+1τ2]]>由于陷阱分布遍及整個(gè)禁帶，因此必須為τ3取一平均值。實(shí)際上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為其選擇的數(shù)值至少約為100微秒。在每個(gè)圖象傳感器單元(象素)中的電荷積分這時(shí)溢出成持續(xù)時(shí)間為T(mén)的周期，在該周期中，各電極在時(shí)間Tinv期間交變地引發(fā)一反型層，然后在時(shí)間T-Tinv期間進(jìn)行積分，即感生一勢(shì)阱。所述時(shí)間Tinv必須充分長(zhǎng)，以便導(dǎo)致大量電子與來(lái)自反型號(hào)的空穴在陷阱中復(fù)合。發(fā)生上述現(xiàn)象的時(shí)間常數(shù)τ1被證實(shí)約為10微秒或更短。最好將時(shí)間T-Tinv選定得較短或相當(dāng)于τ3左右。以便避免再次填滿太大數(shù)量的陷阱。
圖3表示作為時(shí)間t的函數(shù)的ψ1、ψ2、ψ3、ψ4的時(shí)鐘脈沖圖。在Ta到Tb周期中，被俘獲的輻射圖形在圖象傳感器部分轉(zhuǎn)換成電荷分布圖形。周期Ta-Tb被指定為積分周期。在積分周期之后，即在Tb之后，借助于4相時(shí)鐘將所形成的電荷分布圖形從圖象傳感器部分輸運(yùn)到存儲(chǔ)器部分。在積分周期期間，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器部分中的圖象經(jīng)橫向讀出寄存器3以行方式讀出。將兩相繼行間的周期指定為行回掃時(shí)間，在圖3中由T1表明。
在Ta處開(kāi)始的積分周期中，把ψ1調(diào)整到閉鎖電平，藉此，在整個(gè)積分周期期間在電極10a、11a、12a下面感生出使相鄰勢(shì)阱相互絕緣的勢(shì)壘。為了說(shuō)明起見(jiàn)，圖4示出加有時(shí)鐘脈沖ψ1的一組電極下面在若干個(gè)時(shí)刻下的電位分布圖。本發(fā)明這樣來(lái)選定時(shí)鐘脈沖的低電平，以致在各電極下面出現(xiàn)反型，圖4中用加號(hào)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)志，該加號(hào)表明存在空穴。把其余的電極b、c或d調(diào)整到，舉例來(lái)說(shuō)，高出10伏的電平，由此，在這些電極下面沒(méi)有反型而感生出勢(shì)阱;參見(jiàn)圖4的時(shí)刻t1。在常規(guī)裝置中，在積分周期間間，傳感器部分中的電極電壓不變化。為了避免在低于積分選通脈沖下有過(guò)多的陷阱充滿電子，按照本發(fā)明的裝置中，積分選通脈沖電壓期性地變化。例如，首先可把ψ2和ψ4電壓減少10V，而ψ3仍保持高電平。這在圖4中由時(shí)刻t2表明。電荷在低于ψ3下被充分壓縮，而這時(shí)在電極ψ2和ψ4下面也出現(xiàn)反型。這一狀態(tài)得以保持直到所有、或至少基本上所有被俘獲在局部陷阱中的電子與來(lái)自反型層的空穴進(jìn)行復(fù)合為止。其后，把ψ2和ψ4再調(diào)整到高電壓電平(t3)，這以后(t4)，把ψ4減少10伏。在連接到ψ4的電極下面的區(qū)域這時(shí)高發(fā)生反型，由此，使得這些電極下面的表表面狀態(tài)排空。然后，ψ4也返回到高電平，由此，再次獲得t1的狀態(tài)，該狀態(tài)一直保持到下一個(gè)行回掃時(shí)間t1為止。這樣，經(jīng)表面狀態(tài)產(chǎn)生的暗電流可以顯著地降低，這是由于使不同的表面部分交變地并周期性地發(fā)生反型的結(jié)果。圖6是反型時(shí)對(duì)加在電極的負(fù)電壓標(biāo)繪出的改進(jìn)。隨著電壓降低，由此，反型層的空穴濃度、從而空穴與被俘獲電子的復(fù)合增長(zhǎng)，因而暗電流下降。在電壓為-9伏時(shí)(對(duì)操作該傳感器來(lái)說(shuō)，該電壓是一個(gè)適當(dāng)?shù)闹?，暗電流減少到約為原來(lái)的三分之一。
在本文所述4相實(shí)施例中，在積分周期，四個(gè)電極中有三個(gè)處于激勵(lì)的高電壓電平狀態(tài)。結(jié)果，從四個(gè)電極中有三個(gè)電極下面在進(jìn)行積分，這對(duì)最高可能達(dá)到的光敏性方面是很有利的。在積分周期以后電荷輸運(yùn)期間，電荷在兩個(gè)電極或甚至可能在一個(gè)單電極下面受到壓縮。在常規(guī)裝置中，積分周期中電壓不進(jìn)行變化，超量電荷依靠垂直的抗圖象模糊作用流走到襯底6。然而，也有部分電荷之后可到達(dá)表面并在那里被陷阱所俘獲，由于它們只是在輸運(yùn)期間一定時(shí)間后會(huì)再次被釋放出來(lái)，所以就可能導(dǎo)致所謂的拖尾現(xiàn)象(smearphenomenon)。由于在本文所述的方法中，電荷在積分周期期間是有規(guī)律地在兩個(gè)電極或一個(gè)電極下面受到壓縮的，有可能超量的載流子就能夠通過(guò)襯底泄漏出去，因此，上述拖尾效應(yīng)就可加以避免。
下面將指出，本發(fā)明并不局限于本文所述的實(shí)施例，對(duì)熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士在本發(fā)明的范圍內(nèi)是有可能進(jìn)行種種進(jìn)一步的變化的。舉例來(lái)說(shuō)，用來(lái)獲得反型層的負(fù)脈沖ψ2和ψ4可以相繼而不是同時(shí)加上。本發(fā)明還可用于除本文所述以外的電荷耦合器件。
權(quán)利要求
1.一種埋溝型電荷耦合器件，它包含一半導(dǎo)體本體，該本體具有一種導(dǎo)電型的電荷輸運(yùn)溝道，該溝道座落在一表面近旁并經(jīng)由一PN結(jié)進(jìn)入與第一導(dǎo)電型相反的第二導(dǎo)電型的鄰接層，所述表面?zhèn)渲靡幌盗邢嗬^的電極，這些電極被一層絕緣層和所述表面分開(kāi)，并被連接到用來(lái)施加含有閉鎖電平和激勵(lì)電平的時(shí)鐘脈沖電壓的電壓源上，在電荷輸運(yùn)溝道中感生一勢(shì)壘或勢(shì)阱的同時(shí)，選定所述閉鎖電平使得在半導(dǎo)體本體的表面發(fā)生相反的導(dǎo)電類型，其特征在于本發(fā)明這樣來(lái)選定激勵(lì)電平，以致僅在表面出現(xiàn)耗盡，而在工作期間，使與至少一部分的所述電極相對(duì)應(yīng)的電荷輸運(yùn)溝道的表面部分交替地發(fā)生耗盡，在該種情況下，信號(hào)電荷可存儲(chǔ)在電極下面，并發(fā)生反型。
2.如權(quán)利要求1中所要求的電荷耦合器件，其特征在于在N＞3情況下，該電極至少包含一組n+1個(gè)相繼的電極，該組電極共同在電荷輸運(yùn)溝道中確定一個(gè)電荷存儲(chǔ)位置，并且在所述存儲(chǔ)位置中存儲(chǔ)電荷包的周期中，電壓源把閉鎖電平供給這些n+1電極中兩個(gè)外電極，同時(shí)在電荷存儲(chǔ)周期期間把在閉鎖電平與激勵(lì)電平之間變化的交變電壓供給位于這些外電極之間的電極，使得在這些電極下面的表面部分交替地發(fā)生反型和耗盡。
3.如權(quán)利要求2中所要求的電荷耦合器件，其特征在于具有相關(guān)溝道的電荷輸運(yùn)溝道形成部分圖象傳感器裝置，所述裝置具有安排成行和列的圖象傳感單元的體系，以及輸運(yùn)溝道的體系，這些溝道按方向延展，然后借助于此，可使由吸收輻射而產(chǎn)生的電荷包按列方向輸運(yùn)到按行方式，讀出電荷包的裝置上。
4.如權(quán)利要求3中所要求的電荷耦合器件，其特征在于在將電荷包存儲(chǔ)在所述電荷存儲(chǔ)位置中的周期內(nèi)，使所述存儲(chǔ)位置的內(nèi)電極處的電壓，在與處于讀出兩相繼行的步驟間行回掃時(shí)間一致的周期內(nèi)周期性地進(jìn)行變化。
5.如權(quán)利要求4中所要求的電荷耦合器件，其特征在于在行回掃時(shí)間期間，加上激勵(lì)電壓電平的內(nèi)電極的數(shù)量至少暫時(shí)低于兩行回掃時(shí)間之間的周期中的數(shù)量，藉此，勢(shì)阱表面暫時(shí)性減少，同時(shí)提供泄漏裝置，借助其在勢(shì)阱的這種減少情況下，可泄漏任何超量載流子。
6.一種包含如在權(quán)利要求3至5中任一項(xiàng)所要求的圖象傳感器裝置的攝象機(jī)。
全文摘要
在電荷耦合器件(CCD)中，暗電流的主要部分是由表面狀態(tài)所引起的。因?yàn)榘惦娏飨拗屏藬z象機(jī)的靈敏度，所以特別在圖象傳感器中，暗電流是起干擾作用的。而按照本發(fā)明，積分選通脈沖是周期性進(jìn)行變化的，使埋溝下面的表面部分周期性地發(fā)生反型和耗盡，因而在保持電荷含量的同時(shí)，可達(dá)到顯著減少暗電流。在圖象傳感器中，電壓變化最好出現(xiàn)于回掃時(shí)間期間。
文檔編號(hào)H04N5/361GK1047589SQ9010385
公開(kāi)日1990年12月5日 申請(qǐng)日期1990年5月21日 優(yōu)先權(quán)日1989年5月23日
發(fā)明者邁克爾·阿爾溫·威廉·斯泰凱倫堡 申請(qǐng)人:菲利浦光燈制造公司