Brevet FR2105251A1 — publié le 19720428

L'invention concerne des dispositifs semiconducteurs, et. elle concerne plus particulièrement des dispositifs semiconducteurs destinés à émettre et à recevoir des charges de surface et faisant partie d'un système de transfert et d'emmagasi-5 nage d'informations du type conducteur - isolant - semiconducteurs ou C I S. On connait des procédés et des dispositifs pour emmagasiner et transférer les charges de surface d'une partie d'un substrat semiconducteur vers une autre partie de celui-ci. Il XO es"t aussi connu d'utiliser des jonctions V N pour recevoir une charge provenant d'un élément de mémoire de façon que les informations, se présentant sous la forme d'une charge emmagasinée, puissent être lues à partir de la structure CI S', Bien que l'on puisse utiliser différentes techniques pour obtenir une jonction P N destinée à recevoir les charges de surface, il est souhaitable que le procédé et les dispositifs utilisés pour recevoir les charges soient compatibles avec la technologie utilisée dans la fabrication des éléments de mémoire eux-même. En outre, la nécessité d'obtenir des zones de mémoire C I S à forte densité 20 entraîne l'utilisation d'éléments de mémoire extrêmement petits. Cependant, lorsque les dimensions des éléments de mémoire diminuent la valeur de la charge qu'ils sont capables d'emmagasiner diminue aussi. Par conséquent, il est souhaitable que le dispositif utilisé pour recevoir les charges est en outre un rôle 25 d'amplification. Il est aussi souhaitable que le dispositif qui reçoit les charges de surface puisse aussi injecter des charges de surface dans un élément de mémoire. Par conséquent, la présente invention se propose de réaliser un dispositif pour émettre et recevoir des charges de 30 surface qui est compatible avec un élément de mémoire C I SF. La présente invention se propose encore de réaliser un dispositif qui amplifie les charges provenant d'un élément * de mémoire C I S. La présente invention se propose encore de réaliser 35 des dispositifs pour émettre et recevoir des charges de surface qui sont réalisées en association avec un élément de mémoire C I 3. Suivant l'inventioh, onobtient un dispositif pour émettre et recevoir des charges de surface à partir d'un élément 40 de mémoire dans une structure C lS en formant une région de 71 31852 2 2105251 conductivité différente au voisinage de la surface d'un corps semiconducteur, par exemple, une jonction P N, dans laquelle l'élément conducteur, situé au-dessus du corps.semiconducteur mais isolé de celui-ci, sert de masque de diffusion pour la for-5 mation de la région de conductivité différente» En disposant un contact sur la région de conductivité différente et en appliquant une tension de polarisation entre cette région et le corps semiconducteur, une charge électrique, se trouvant sous l'élément conducteur adjacent, peut être émise ou injectée dans un élément 10 de mémoire ou extraite d'un élément de mémoire dans la structure C I S » L'amplification de cette charge est réalisée en formant une seconde région de diffusion de conductivité opposée à l'intérieur de la première région de diffusion, en plaçant^ un contact sur cette seconde région de diffusion et en la polarisant par 15 rapport au corps semiconducteur de façon que le signal de sortie provenant du dispositif à double zone de diffusion soit sensiblement égal au produit du gain encourant du dispositif par la valeur de la charge de surface se trouvant au-dessous de l'élément conducteur adjacent, 20 La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation particulière donnée à titre d'exemple et représentée au dessin annexé dans lequel î La figure 1 est une vue en coupe transversale d'une 25 partie d'une structure C I S comportant un dispositif suivant l'invention destiné à recevoir des charges de surface0 La figure 2 est une vue en plan partiel d'une structure C I S et représente les canaux d'emmagasinage d'informations à l'extrémité desquels se trouvent des dispositifs suivant l'inven-30 tion permettant d'émettre et de recevoir des charges de surface» A titre d'exemple, la figure 1 représente schématique-ment une structure C I S 10 comportant un corps semiconducteur 11 et plusieurs éléments conducteurs 12 - 16 disposés au-dessus de ce corps semiconducteur 11 et isolés de celui-ci» Les éléments 35 conducteurs 12, 14 et 16 constituent un premier groupe et se trouvent sensiblement à la même distance de la surface principale du corps semiconducteur 11, et les éléments conducteurs 13 et 15 constituent un second groupe et sont légèrement plus éloignés du corps semiconducteur 11.» Les éléments conducteurs du premier 40 groupe sont séparés du corps semiconducteur 11 et des éléments 71 31852 3 2105251 conducteurs du second groupe par un matériau isolant 17. Grâce à cet agencement, tous les éléments conducteurs sont isolés électriquement les uns des autres et les éléments conducteurs 13 et 15 recouvrent les éléments conducteurs adjacents du premier groupe 5 tout en Étant isolés. La figure 1 repésente aussi une région 18, dont la conductivité a été modifiée, se trouvant au voisinage de la surface du corps semiconducteur et formant une jonction PN asymétrique avec ce corps semiconducteur 11. Pour faciliter la des-10 cription, on supposera que le corps semiconducteur 11 possède un premier type de conductivité, par exemple une conductivité N, et que la région 18, dont la conductivité a été modifiée, possède un type de conductivité opposé, par exemple une conductivité P, ce qui forme une jonction P N 19. ynt région 20 moins pro-15 fonde possédant le prefflier type de condtictivité est formée dans la région 18 de conductivité P, ce quiiforme une jonction P N 21. Les régions 18 et 20 sont de préférence réalisées par diffusion à partir de sources d'impuretés appropriées de la façon qui va être décrite ci-deseous. Un contact 22 est disposé sur la région 20 de diffusion 20 et un contact 23 est disposé sur le corps semiconducteur 11 de façon à pouvoir appliquer des tensions de polarisation sur la structure C I S. Cependant, aucun contact n'est disposé sur la région de diffusion 18 étant donné que la conduction a lieu par l'intermédiaire de zones de déplétion 25 qui se chevauchent, comme on le verra ci-après. Le fonctionnement de la structure C I S représenté dans la figure 1 sera mieux compris en considérant la séquence des différents phénomènes apparaissant lorsqu'une charge électrique est transférée (par exemple de la droite vers la gauche), 30 le long de la partie adjacente a la surface du corps semiconducteur 11. On supposera qu'une tension créant une zone de déplétion est appliquée sur l'élément conducteur 15 et qu'une * charge électrique est emmagasinée dans la zone de déplétion ainsi formée. Cette charge peut provenir de la région située au-dessous 35 de l'élément conducteur 16 ou de l'introduction de porteurs minoritaires à partir d'un contact ponctuel, d'une jonction PN ou d'un rayonnement électromagnétique. Quels que soient les moyens utilisés pour une produire une charge dans la zone de déplétion se trouvant au-dessous de l'élément conducteur 15, la charge 40 peut être transférée vers une zone de cÉplétion se trouvant au- 71 31852 4 2105251 dessous de l'élément Conducteur 14 en appliquant à l'élément conducteur 14 une tension créant une zone de déplétion et en supprimant la tension créant une zone de déplétion qui est appliquée à l'élément conducteur .1.5, De la même façon, cette 5 charge peut alors être transférée vers une zone de, déplétion se trouvant sous l'élément conducteur 13 puis vers une zone de déplétion se trouvant sous l'élément conducteur 12. Une tension de polarisation négative^ par rapport au corps semiconducteur 11, appliquée sur le contact 22 par l'in-10 termédiaire d'une résistance 24 polarise en inverse les jonctions P N 19 et 21 et forme une zone de déplétion 25» Lorsqu'une zone de déplétion 26 de profondeur suffisante est formée sous l'élément conducteur 12, de la façon indiquée ci-dessus, les zones de déplétion 25 et 26 se chevauchent ou fusionnent. Une charge élec-15 trique, s'il en existe une, emmagasinée dans la zone de déplétion 26 se trouvant sous l'élément conducteur 12 est transmise à la zone de déplétion 18 de type P grâce à une conduction superficielle. L'introduction d'une charge dans la zone 18 de type P réduit suffisamment la barrière de potentiel entre la région 18 20 de type P et la région 20 de type N+ de sorte que des électrons partent de la source de tension négative, traversent la résistance 24, la région 20 de type N+, la région 18 de type P et le corps semiconducteur 11 pour arriver à la. source de tension de référence. 25 Tous les électrons injectés dans la région 20 de type N+ n'atteignent pas la région 11 de type N. Quelques uns de ces électrons se recombinent avec les trous introduits dans la région de type P à partir de la zone de déplétion 26 se trouvant sous l'élément conducteur 12 et par conséquent n'atteignent jamais la 30 région 11 de type N. La différence entre le courant total dû aux électrons injectés et la fraction de ce courant qui traverse la région 11 de type,N est caractérisée par le facteur de transfert qui est juste légèrement inférieur à l'unité étant donné que le nombre d'électrons qui atteignent la région 11 de type N 35 est beaucoup plus important que le nombre d'électrons qui se combinent avec les trous provenant de la zone de déplétion 26. Le facteur de transfert possède une valeur maximale si.la surface de la jonction P N 19 formée entre la région 18 et le corps semiconducteur 11 n'est pas importante par rapport à la surface de la 40 jonction P N 21 formée entre la région 20 et la région 18, la 31052 5 21.05251 distance séparant ces deux jonctions P N devant être aussi faible que possible. Cependant, en pratique d'autres considérations, par exemple la capacité de jonction, ne permettent pas d'utiliser un facteur de transfert maximal. 5 Un autre paramètre important qui doit être pris en compte est le rapport du nombre d'électrons injectés au courant total d'électrons et de trous traversant la jonction 20. Dans un transistor, ce rapport est appelé "taux d'injection d'émetteur" et cette terminologie est utilisée ici. On obtient facilement un 10 taux d'injection d'émetteur maximal en dopant fortement l'émetteur (région 20) par rapport à la base (région 18)defàgcnà ce que le rapport du nombre de trous dans la base au nombre d'électrons dans l'émetteur soit très faible. Lorsque le facteur de transfert et le taux d'injection 15 d'émetteur ont une valeur maximale, le rapport du courant qui traverse le corps semiconducteur 11 au courant qui traverse la région 18 de type P, qui est plus faible à cause de la recombinaison avec les trous, devient aussi maximal. Ce rapport est appelé facteur d'amplification en courant du dispositif. 20 La nécessité de disposer d'un facteur d'amplification en courant maximal est évidente puisque les charges électriques emmagasinées dans la zone de déplétion se trouvant sous l'élément conducteur 12 et reçu par le dispositif suivant l'invention sont amplifiées en fonction du facteur d'amplification du dispositif 25 lui-même. Par conséquent., plus le facteur d'amplification encourant est élevé plus les dimensions des zones de mémoire peuvent être faibles, ce qui permet d'obtenir des systèmes d'emmagasinage possédant une densité d'enregistrement plus importants Dans le cas où aucune charge de surface n'existe sous l'élément 30 conducteur 12, le courant circulant entre la région 20 de type N+ et la région 11 de type N est insuffisant pour faire apparaître un signal de sortie. Dans la figure 1 on a représenté un dispositif comportant deux zones diffusées et présentant des caractéristiques d'am-35 plification, cependant comme on l'a vu ci-dessus on peut utiliser un dispositif comportant une seule zone diffusée soit pour émettre soit pour recevoir des charges de surface à partir d'une struG-ture C I S. Ceci est représenté plus particulièrement dans la figure 2 qui est une vue en plan partiel d'une structure C I S 30 40 comportant deux canaux adjacents 31 et 32 de transfert et d'em- 7l 31852 6 2105251 magasinage d'informations et des éléments conducteurs transversaux 33, 34 et 35 qui se chevauchent et qui sont sensiblement identiques aux éléments conducteurs 12, 14 et 16 de la figure 10 Les éléments conducteurs 36 et 37 chevauchent les éléments 5 conducteurs 33, 34 et 35 tout en étant isoléscomme c'était le cas pour les éléments conducteurs 13 et 15„ Une région de diffusion 38 de type P, par exemple, est formée dans un substrat semiconducteur 39 de type N, par exemple, au voisinage de l'élément conducteur 33 à llntérieur d'une des extrémités du canal 10 d'informations 31» La région de diffusion 38 forme avec ie substrat semiconducteur 39 une jonction P N 40 qui se trouve au-dessous de l'élément conducteur 33, comme cela est le cas pour 'la jonction P N 19 de la figure 1» Un contact est réalisé sur la région de diffusion 38 par l'intermédiaire d'une électrode 41 15 qui se trouve sur la structure CI S tout en étant isolée. Le canal d'informations 32 possède une région de diffusion similaire 42 de type P qui forme une jonction P N 43 dans -le substrat semiconducteur 39. Une électrode 44 est disposée sur là région 42 de type P et sert de connexion avec un disposi-20 tif semiconducteur, par exemple un transistor à effet de champ 45. Le transistor 45 comporte une électrode deux portes 46 qui est disposée au-dessus des régions de diffusion 47 et 48, de type P par exemple, tout en étant isolée, ces régions 47 et .48 constituant les électrodes de source et de drain du transistor. Des 25 électrodes 49 et 50 sont disposées respectivement sur les régions de diffusion 47 et 48 et peuvent, par exemple, être reliées a un circuit approprié de polarisation et de sortie, comme cela est classique dans les circuits intégrés. Le fonctionnement du dispositif représenté dans 30 la figure 2 sera mieux compris en considérant les différents phénomènes qui apparaissent lors de l'émission, du transfert et de la réception des charges de surface dans une structure C I S. Par exemple, on supposera que l'on doit injecter des charges de surface dans le canal de transfert et d'emmagasinage d'informa-35 tions 31. Ceci peut facilement être réalisé en appliquant une tension créant une zone de déplétion sur l'élément conducteur 33 et en appliquant une tension de polarisation inverse à la jonction P N 40. En choisissant la valeur et la durée de la tension appliquées à la jonction P N 40, on injecte une charge de valeur pré-40 déterminée dans la zone de déplétion se trouvant sous l'élément 11 31ÔS2 7 21.05251 conducteur 33 et sensiblement limitée au voisinage de l'extrémité du canal de transfert et d'emmagasinage d'informations, En appliquant des tensions créant des zones de déplétion sur les éléments conducteurs 34 et 36 et en supprimant la tension créant 5 une zone de déplétion qui est appliquée sur l'élément conducteur 33, la charge de surface est transférée vers la zone de déplétion se trouvant sous ces éléments conducteurs. Une autre charge peut alors être injectée à partir de la zone 38 de type P et cette charge est transférée le long du canal de transfert et d'emmaga-10 sinage d'informations 31 de la gauche vers la droite. De cette façon, des informations se présentant sous la forme de charges électriques sont introduites ou injectées dans la structure C I S 30, Des informations se présentant sous la forme de 15 charges de surface sont reçues ou extraites de la structure C I S d'une façon identique. Par exemple, on supposera que les charges de surface se déplacent de: la droite vers la gauche dans le canal d'informations 32 lorsqué l'on applique des tensions appropriées, créant des zones de déplétion, sur les éléments con-20 ducteurs 33 - 37, Ainsi, lorsqu'une charge de surface arrive au niveau de la zone de déplétion entourant la jonction P N 43 polarisée en inverse, la charge est transférée dans cette zone de déplétion, Ceci est obtenu en chargeant la capacité de la jonction P N 43 jusqu'il une tension prédéterminée puis en isolant électri-25 queaent la jonction P N chargée de la source de charges mais en la laissant reliée à l'électrode deux portes 46 du transistor 45, Le transfert de la charge entre la zone de déplétion se trouvant sous l'élément conducteur 33 et la jonction P N 43 fait varier la tension pédéterminée proportionnellement $ la valeur de la 30 charge. Cette variation de tension provoque une variation du courant circulant entre les régions de source et de drain 47 et 48, cette variation de courant pouvant être contrôlée et utilisée pour signaler l'existence d'une charge de surface. Puis ces différents phénomènes se répètent. De cette façon, le canal de trans-35 fert et d'emmagasinage d'informations fournit des charges de surface. Lorsque l'on utilise un dispositif possédant deux zones de diffusion, identique à celui représenté dans la figure V on obtient les mêmes phénomènes que ceux qui viennent d'être dé-40 crits ci-dessus en se référant à la figure 2, mais le signal de 71 31852 8 2105251 sortie provenant du dispositif est sensiblement égal à la valeur de la charge de surface multipliée par le facteur d'amplification encourant du dispositif. 71 31852 9 21.05251 REVENDICATIONS 1. Dispositif semiconducteur caractérisé par le fait qu'il comporte un substrat semiconducteur possédant un premier type de conductivité, une région dont la conductivité est modifiée 5 et qui forme une jonction P N dans le substrat, au moins un élément conducteur situé au-dessus du substrat et isolé de celui-ci et se trouvant au voisinage de la jonction P N, et des moyens pour transférer une charge électrique entre la jonction P N et une zone de déplétion formée dans le substrat semiconducteur au-10 dessous de l'élément conducteur. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé parle fait que les moyens permettant de transférer la charge électrique comportent des moyens pour injecter une charge dans le substrat semiconducteur dans une région se trouvant au-dessous 15 de l'élément conducteur. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens permettant de transférer une charge électrique comportent des moyens pour recevoir une charge provenant du substrat semiconducteur. 20 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que les moyens destinés à recevoir une charge sont constitués par une région possédant un premier type de conductivité et ménagés dans la région dont la conductivité a été modifiée. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé 25 par le fait que la région possédant le premier type de conductivité et la région dont la conductivité a été modifiée sont formées par diffusion à partir d'une source d'impuretés et coïncident avec au-moins une partie périphérique des éléments conducteurs. 30 6. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre plusieurs éléments conducteurs disposés au-dessus du substrat semiconducteur et isolés de celui-» ci, et que les moyens destinés à transférer une charge électrique comportent en outre des moyens pour transférer une charge électri-35 que le long de la surface du substrat semiconducteur. 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre plusieurs canaux de transfert et d'emmagasinage d'informations, les différents éléments conducteurs étant disposés sensiblement transversalement par rapport à 40 ces canaux de transfert et d'emmagasinage d'informations. 71 31852 10 2105251 8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé par le fait que des éléments conducteurs chevauchent des éléments conducteurs adjacents tout en étant isolés» 9» Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé 5 par le fait qu'au moins un des canaux de transfert et d'emmagasinage d'informations comporte des moyens pour injecter une charge dans le substrat semiconducteur et qu'au moins un autre de ces canaux comporte des moyens pour recevoir une charge provenant de ce substrat semiconducteur,, 0 10» Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé par le fait que les moyens destinés à recevoir une charge amplifient la charge provenant du substrat semiconducteur,,