Brevet FR2118110A1 — publié le 19720728

î 2118110 La présente invention concerne des dispositifs à couplage de charge . On a découvert récemment des dispositifs d'état solide pour l'emmagasinage d'information, basés sur le phénomène de 5 stockage et de transfert de charges tandis qu'elles restent entièrement contenues dans un milieu d'emmagasinage, avec des moyens identifiant la présence, l'absence ou la quantité de charges en des sites choisis. Ces dispositifs sont connus sous le nom générique de dispositifs à couplage de charge et des 10 versions fondamentales de ces dispositifs sont décrites dans la demande de brevet français N° 71.05003 déposée le Î5.2.1971 au nom de Western Electric Company, Incorporâted.D'autres dispositifs à couplage de charge sont décrits dans la demande de brevet français N° 71 .05002 déposée le 15 -20 T971 au nom de Western Electric Company, Incorporated. Dans toutes les formes de réalisation de ces dispositifs connus à ce jour, les 15 entités charges qui représentent l'information étaient emmagasinées et traitées dans un support ou agent d'emmagasinage mince avec un agencement uni ou bidimensionnel d'éléments de commande en sorte que le mouvement commandé de la charge était essen-tiellement uni ou bidimensionnel. 20 Suivant l'invention, on prévoit un dispositif à couplage de charge comprenant un agent d'emmagasinage à plaquette, des moyens électriques d'un côté de la plaquette, définissant une multiplicité de sites .d'emmagasinage et convenant pour le transfert de charges, représentant de l'information, en ordre sé-25 quentiel entre les sites d'emmagasinage, où des moyens électriques semblables sont disposés sur les côtés opposés de la plaquette et où des moyens sont prévus pour transférer l'information d'au moins un site d'emmagasinage d'un côté de la plaquette, à travers le milieu d'emmagasinage, à au moins un 30 site d'emmagasinage de l'autre côté de celle-ci. " On peut obtenir des avantages sensibles en prévoyant une troisième dimension de commande, c'est-à-dire en jouant sur l'épaisseur de l'agent ou support, la charge peut être transférée de manière commandable dans la dimension de l'épaisseur 35 avec les éléments de commande disposés aux faces opposées d'un élément d'emmagasinage mince. Cet expédient augmente la souplesse de ce dispositif pour nombre d'applications mais sert parti 71 45154 2 2118110 culièrement dans des circuits de logique. Par exemple, on peut former des circuits de logique complexes de part et d'autre d'un dispositif à semi-conducteur mince et on peut provoquer une interaction entre ces circuits, lorsqu'on le désire. Un 5 avantage principal est la facilité avec laquelle on peut amener un courant d'information situé d'un côté à "traverser'" un courant d'information» de l'autre côxé sans qu'il y ait interaction entre eux. Ceci permet aussi d'avoir une densité de serrage plus grande pour des circuits de logique et par con-10 séquent d'utiliser plus efficacement le semi-conducteur. Avantage supplémentaire, il est possible de concevoir des. circuits plus compliqués. Les avantages du transfert à trois dimensions augmentent, aussi dans des constructions de dispositifs fondamentaux,telles 15 que le registre à décalage. L'application de l'invention à un registre à décalage est importante en ce sens que ce dispositif peut être considéré comme un bloc de construction fondamental au moyen duquel on peut construire beaucoup de formes de dispositifs de traitement et de stockage de signaux. 20 Dans le fonctionnement des dispositifs à couplage de charge de grande densité, il est souvent souhaitable de fabriquer tout l'arrangement avec un simple dessin monolithique d'électrodes en utilisant l'une des configurations suivant cette dimension de l'arrangement. Une fois cette restriction imposée, 25 le transfert de charge se fait toujours dans un même sens. Cette condition est acceptable pour un registre à àétalage uni-dimensionnel, ou si plusieurs canaux sont.exploités en-parallèle dans une plaquette/Intégrée. Cependant, un registre à décalage simple dans lequel l'information doit serpenter dans une pla-30 quette carrée ou rectangulaire est d'une fabrication incommode. L'invention offre une solution à ce problème puisque la charge peut être transportée dans un sens unique d'un coté de la tranche mais peait être transférée à l'autre côté de la tranche pour le transfert en sens opposé ou dans une autre ai-35 rection quelconque. On utilise un simple jeu d'éléments de commande de chaque coté de la puce. On peut interconnecter ce-éléments de commande avec une source de commande unique. 71 45154 3 2118110 Le transfert d'une charge entre des sites d'emmagasinage de côtés opposés de l'élément d'emmagasinage de charges peut être obtenu par polarisation en sens direct d'un site d'emmagasinage et injection de son information dans la masse ou volume, 5 tout en polarisant en même temps en sens contraire le site d'emmagasinage de l'autre côté de l'agent. Les porteurs ( ou absences de porteurs) diffuseront dans la région de déplé-tion lu site polarisé en sens inverse. Le temps de diffusion dépendra de l'épaisseur de l'agent d'emmagasinage. On peut ré-10 duire efficacement l'épaisseur en polarisant le site récepteur en sorte que sa région de déplétion s'étende sensiblement dans la masse. Ces aspects de l'invention et d'autres se comprendront aisément à l'aide de la description qui va suivre. Sur les 15 dessins : - Les figures 1, 2, 3 et 4 sont des vues en coupe d'une plaquette de semi-conducteur pendant diverses étapes de traitement , données comme exemple ,convenant pour la formation d'un dispositif fonctionnant suivant l'invention. La figure 4 montre 20 aussi schématiquement le transfert de charge emmagasinée, d'un site au site opposé d'un agent d'emmagasinage; - la figure 5 est une vue en plan, en partie schématique, d'un registre à décalage donné comme exemple, fonctionnant suivant l'invention ? 25 - la figure 6 est une vue en coupe suivant a-a de la figure 2, montrant l'isolement latéral entre les canaux longitudinaux du dispositif de la figure 2 ; - la figure 7 est une vue en bout du dispositif de la figure 5,montrant plus en détail l'étape de transfert utilisée 30 pour faire passer la charge latéralement entre des canaux $ - la figure 8 est une vue de face en élévation d'une variante de construction suivant l'invention, dans laquelle les canaux sont alignés ; - la figure 9 est une vue en plan d'un commutateur à 35 points de croisement, réalisant l'invention ; et - la figure 10 est une vue en coupe schématique d'un arrangement de transfert pour un agencement de concentration lo- 71 45154 4 2118110 gique d'entrée. Les figures 1 - 4 représentent la conception fondamentale de l'invention, c'est-à-dire l'utilisation de sites d'emmagasinage de charges des deux côtés d'un agent d'emmagasi-5 nage avec des moyens pour transférer la charge d'un côté à un autre. En utilisant la technologie familière du silicium pour un exemple spécifique, on montre à la figure 1 une plaquette 10 de silicium n ayant une couche d'oxyde 11 sur ses deux faces. La plaquette de silicium a une largeur de 1 cm et une épaisseur * 10 de 25 . 10 mm. La figure 2 montre la plaquette à oxyde avec des couches métallisées. Le métal peut être n'importe quel métal de contact approprié, tel qu'Au, Al, Ni, W, Ti, Zr ou même Si. La plaquette est masquée à l'aide d'une photoréserve normale 13» figure 3» présentant le dessin d'électrodes voulu et 15 qu'on attaque alors par des procédés bien connus pour former la construction de la figure 4. Les spécialistes connaissent plusieurs variantes pour fabriquer cette construction et ce n'est pas là un aspect critique de l'invention. Les conducteurs 14 sont attachés aux électrodes et sont alimentés par une ten-20 sion de commande sur trois fils à usage séquentiel, comme exposé en détail dans les demandes de brevets précitées» Le transfert de charge entre des sites d'emmagasinage aux faces ou côtés opposés de la plaquette 10 sera exposé en se référant aux électrodes 15» 16, 17 et aux sites d'emmagasi-25 nage qui leur sont associés. La charge sous forme de porteurs minoritaires est montrée emmagasinée en un point désiré d'une suite linéaire classique. L'électrode 16 est d'abord polarisée négativement, à la suite de la polarisation de l'électrode 15» pour faire passer la charge à sa région d'emmagasinage. Après 30 un demi-cycle de polarisation négative, la tension est rendue plus positive ou suffisante pour injecter les porteurs emmagasinés dans la masse ou dans le volume de l'agent ou support 10. La polarisation de transfert est représentée par la forme d'onde, schématique désignée par V^. La partie positive du cycle peut 35 être plus grande ou plus petite à volonté, et la durée peut en être réglée pour satisfaire à des conditions particulières. L'électrode 17 est polarisée avec la polarisation de transfert . 71 45154 5 2118110 normale S-Y, en ordre séquentiel. La cha.rge aéra emprisonnée temporairement dans la région de déplétion près de l'électrode 17 jusqu'à son transfert,dans la séquence normale5 au site d'emmagasinage proche de l'électrode voisine 18. 5 Bien que le mécanisme de transfert soit décrit ci- dessus en se référant à un dispositif spécifique, on comprendra que l'on peut s'en écarter de diverses façons tout en profitant des avantages généraux de 1'invention.Par exemple, on peut utiliser d'autres moyens d'emmagasinage et d'autres isolants. 10 Des schémas de commande différents conviennent pour transférer la charge. En déplaçant la charge à travers l'épaisseur de la plaquette, un mouvement latéral simultané peut être avantageux, spécialement si la plaquette est très mince. La description suivante, associée aux figures 5 à 7, 15 concerne un exemple de dispositif montrant certaines implications pratiques de l'invention. Le.dispositif est fondamentalement un registre à décalage ayant, arbitrairement, 21 bits. Certaines conditions sont imposées à ce dispositif par des restrictions de traitement.Pour avoir la meilleure économie et 20 le meilleur rendement du fonctionnement, les électrodes aux divers sites d'emmagasinage doive-nt être petites et serrées étroitement. Ceci limite l'aire de la puce admise pour les circuits d'accès. L'emploi du transfert d'information dans les deux sens dans un registre à couplage de charge à canal unique n'est pas 25 du tout immédiat parce que la directionnalité propre nécessaire pour le mécanisme de transfert à couplage de charge empêche le fonctionnement normal de deux lignes en des sens différents. Il est donc difficile de faire "serpenter" le canal dans la tranche de semi-conducteur sans recourir à des dessins de eir-30 cuit complexes et à des croisements multiples. Le registre à décalage de la figure 5 élimine largement ces problèmes. La puce de silicium 19 est montée sur un support de céramique 20. On oxyde la plaquette de silicium sur ses deux faces pour former des couches d 'oxyde 21 dont une seule est 35 partiellement visible à la figure 5. L'oxyde comporte des canaux présentant un amincissement, qui s'étendent dans le sens de la longueur de la plaquette (figure 6^. La vue en plan de la figure 71 45154 y 0 2118110 5 montre l'emplacement des électrodes et le transfert de charge dans la plaquette. Pour comprendre complètement la construction, en particulier la forme des canaux allongés et le transport de la charge dans les dimensions de l'épaisseur, on se 5 reportera aux figures 1 - 4, 6 et 7. On voit ( à la figure 5) qu'il y a un arrangement de "bandes 25 couvrant les surfaces 21 de la couche d'oxyde de la plaquette.Les bandes électrodes sont proches les unes des autres et définissent les limites latérales, c'est-à-dire de gauche 10 et de droite, de chaque emplacement d'emmagasinage de charge. Les autres limites des sites d'emmagasinage sont fixées par les canaux s.'étendant longitudinalement dans la couche d'oxyde. Les canaux du côté exposé de la plaquette sont visibles en 26,27»28 et 29. Les. canaux de l'autre côté de la plaquette 15 ne sont pas visibles" sur cette figure, mais sont logés entre les canaux que l'on vient de décrire. Un étage d'entrée est montré en 30 , et un étage de sortie en 31. Dans cet exemple, ces deux étages seront, pour la simplicité, supposés être des dispositifs M.O.S., l'étage d'entrée étant commandé pour fonc-20 tionner en avalanche pour l'injection de porteurs minoritaires et l'étage de sortie étant polarisé dans le sens direct par le conducteur 32 avec la connexion ohmique 33 convenant pour la détection. Cette dernière fonctionne de manière semblable au cas du mécanisme de la figure 4. Le mécanisme précédent est 25 bien connu.On se reportera aux demandes précitées pour différentes variantes. Le dispositif fonctionne essentiellement comme suit. L'information sous forme de porteurs de charge minoritaires (ou sous forme de leur absence) est engendrée à l'endroit de l'em-30 placement d'entrée 30 et elle est transportée par le système de commande à 3 phases,-Y^, -V£ et -Y^ ,représenté par des fils de commande 50,51 et 52, le long du canal 26 comme indiqué par les flèches. En atteignant le site d'emmagasinage près de l'électrode 34, ce site est polarisé en sens direct par la 3 5 connexion de commande 35 de la manière montrée à la figure 4 avec l'électrode 16 de cette figure correspondant à l'électrode 34 de la figure 5. La charge est ainsi transférée à la face 71 45154 7 2118110 opposée de l'agent d'emmagasinage.La charge est déplacée latéralement vers le canal longitudinal suivant par l'agencement de commande à trois fils représenté par les fils 36s 37 et 38, bien que les électrodes ne soient pas visibles. Le déplace-5 ment des charges sur la face opposée de la tranche est indiqué par les flèches en tirets. Le transfert séquentiel de la charge le long des canaux cachés est commandé par l'agencement de commande à trois fils indiqué par les fils 39s40 et 4"! de la même manière que ce qui est montré sur la face visible. En attei-10 gnant l'étage terminal du canal, la charge est injectée^moyennant la polarisation positive sur 42, vers le site d'emmagasinage proche de l'électrode 43 à la surface visible de la plaquette, et transportée latéralement vers des sites indiqués par 44 et 45 par la commande à trois fils représentée par les fils 15 46, 47 et 48.La charge traverse alors Te canal 27 et de la manière qui vient d'être décrite, par le trajet restant vers l'étage de sortie 31. L'arrangement des canaux longitudinaux et de la section transversale du dispositif (en a-a à la figure 5) est évident 20 d'après la figure 6. Les canaux longitudinaux du côté visible de la figure 5 apparaissent en 26{ 27, 28 et 29. Les canaux 53»54 et 55 du côté opposé de l'agent d'emmagasinage sont cachés à la figure 5. La plaquette est fixée au support de céramique 20 par la couche de liaison 56 ( qui peut être un adhésif 25 époxy ou un autre adhésif isolent convenable). Les éléments en déplacement latéral sont montrés à la figure 7 qui est une vue partielle de bout de droite de la figure 5. Tous les éléments numérotés apparaissent à la figure 5 sauf les électrodes de translation latérale 60, 61 et 62 et 30 l'électrode ohmique de sortie 63. Si la plaquette 20 est faite suffisamment épaisse (ou en variante si les régions de déplétion sont suffisamment peu profondes) pour que l'isolement se produise entre des canaux alignés en travers de l'épaisseur de la plaquette, la capacité 35 des canaux peut être augmentée. Un tel agencement est représenté à la figure 8 qui correspond essentiellement à la vue en coupe de la figure 6. Cependant, si l'épaisseur de l'agent est grande 71 45154 8 2118110 en comparaison de l'écartement latéral entre canaux voisins, la diffusion latérale pendant le transfert de charge à travers la tranche peut poser des problèmes. Cette considération suggère que l'agent soit mince. D'autres procédés pour obtenir 5 l'isolement entre canaux pour permettre de les rapprocher sont connus des spécialistes. Ainsi, on peut implanter des impuretés de type n+ ou p- , ou elles peuvent être diffusées entre les canaux.On remarquera qu'il n'est pas nécessaire que les régions appauvries voisines des sites isolés soient isolées. 10 Ces régions peuvent se recouvrir partiellement, ou bien l'agent tout entier peut être manipulé à l'état appauvri sans transfert de charge à travers la tranche. Par exemple, dans une tranche de silicium de 10 ohms.cm ayant une épaisseur de 20 . 10 mm, une polarisation de 10 volts sur chaque face de la tranche 15 appauvrira essentiellement le semi-conducteur à travers l'épaisseur de la tranche. Il y a cependant des paramètres de fonctionnement raisonnables pour d es dispositifs fonctionnant suivant l'invention. Le transfert à travers la tranche, comme souligné auparavant, se fait d^référence avec une différence 20 de potentiel importante entre les sites. Par exemple, une polarisation positive sur le site de transfert et une grande polarisation négative sur le site récepteur. Le transfert est possible aussi avec une grande polarisation négative sur le site de réception et une petite polarisation négative, ou sans po-25 larisation sur le site de transfert. Une autre forme de réalisation de l'invention dans laquelle le concept inventif est appliqué à une matrice "-de commutation est montré à la figure 9• Le dispositif montré est un commutateur à points de croisement, dispositif bien- connu de 30 la technique téléphonique. Le but poursuivi est de permettre une connexion sélective entre des lignes de transmission en nombre donné, ordinairement entre six lignes. La figure 9 montre un commutateur à points de croisement 60 pour interconnecter des lignes quelconques des lignes 1S 2 ou 3 avec les lignes 35 a, b ou c. Le commutateur est matériellement semblable au dispositif de la figure 3 et 11 n'y a pas lieu d'en répéter les détails. Il y a trois canaux 61, 62 et 63 s'étendant le long de 71 45154 9 2118110 la surface supérieure de la tranche et trois canaux orthogonaux s'étendant le long de la face opposée de la tranche, comme montré. Ces canaux sont des lignes à couplage de charge rec-tilignes, de la structure dont il a été question sauf qu'ils 5 n'exigent pas d'éléments de transfert latéral ou de sections de transfert terminal d'une face de la tranche à l'autre. Dans ce dispositifs le transfert à travers la tranche- est fait sélectivement .Par exemple, si la ligne 2 doit être reliée à la ligne "c", le réseau de commande 68 polarise l'électrode de 10 transfert 2c, faisant que la charge de la ligne 2 à la surface la plus élevée de la tranche soit injectée de façon continue dans le canal 66 de l'autre côté de la tranche pendant la durée de la polarisation de l'électrode 2c. La manière dont une autre sélection quelconque peut être faite est évidente.Les détails 15 du transfert de charge le long des canaux 61 à 66 et les éléments de commande de transfert de charge ont été omis pour la clarté. Cependant, la fonction et le fonctionnement de ces éléments sont connus depuis la technique antérieure. Il est ainsi évident que le concept du transport de char-20 ge le long des deux côtés, et sélectivement au travers d'un milieu ou agent d'emmagasinage en plaquette ou tranche permet une extraordinaire souplesse dans l'établissement de projets de dispositifs et dans le choix de leurs aptitudes. D'autres façons d'étendre ce concept à diverses formes 25 de circuits de logique, de mémoire, de traitement de signaux digitaux, apparaîtront immédiatement aux spécialistes. Par exemple, le concept de couplage de charge en trois dimensions peut être appliqué au fonctionnement d'un dispositif de concentration faisant partie d'une opération de logique. La 30 figure 10 en donne une représentation schématique. Les électrodes 71 et 72 représentent les étapes terminales des lignes de transfert de charge à combiner. Si ces sites sont polarisés en sens direct par , comme discuté précédemment, tandis que le site récepteur à la face opposée de la tranche est polarisé 35 en sens inverse par la polarisation d'emmagasinage ordinaire , -V, (ou davantage pour augmenter le rendement de transfert des charges et diminuer leur temps de transit), les charges dans 71 45154 10 2118110 les canaux respectifs seront combinées au voisinage de l'électrode 73 pour leur traitement et/ou leur lecture subséquente. 71 k515k 11 2118110 REVENDICATIONS 1.- Dispositif de stockage à couplage de charge, comprenant un agent d'emmagasinage à plaquette (10), des moyens électriques (15,16) d'un côté de la plaquettes définissant 5 plusieurs sites d'emmagasinage, et propres à transporter , en ordre séquentiel entre les sites d'emmagasinage, des charges représentant de l'information, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens électriques semblables (17$18) disposés du côté opposé de la plaquette, et des moyens (14) pour transférer 10 cette information d'au moins un site d'emmagasinage d'un côté de la plaquette, à travers l'agent d'emmagasinage, vers au moins un site d'emmagasinage de l'autre côté de la plaquette. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent d'emmagasinage (10) est du silicium. 15 3.- Dispositif à couplage de charge suivant la revendi cation 1, à utiliser comme registre à décalage, comprenant un agent d'emmagasinage mince et une ligne de transfert de charge s'étendant le long d'une surface de cet agent, caractérisé par une ligne de transfert de charge s'étendant le long de la 20 face opposée de l'agent, les moyens de transfert étant propres à transférer une charge du site terminal d'une des lignes, à travers l'agent, vers le site au commencement de l'autre ligne. 4.- Dispositif à couplage de charge suivant la revendication 1, à utiliser comme registre à décalage, comprenant un 25 agent d'emmagasinage de charge à semi-conducteur mince, caractérisé en ce qu'il comporte une couche isolante (21) couvrant les deux faces principales de l'agent d'emmagasinage à semiconducteur, chacune de ces couches possédant plusieurs parties formant des canaux parallèles (26-29) d'épaisseur réduite, les 30 moyens électriques comprenant une série de bandes électrodes parallèles serrées (25) formant les électrodes de commande pour les lignes de transfert de charge sur chaque couche isolante, ces bandes s'étendant dans une direction qui coupe les canaux de l'une des couches, et des moyens de polarisation 35 (35,42) à la terminaison d'un canal d'une couche pour transférer des charges à un canal de l'autre couche. 5.- Registre à décalage suivant la revendication 4, 71 45154 12 2118110 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (36,37,38 ; 46,47» 48) pour transporter les charges latéralement entre les canaux. 6.- Registre à décalage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les canaux des côtés opposés de l'agent 5 d'emmagasinage sont décalés (figure 6) l'un par rapport à l'autre . 7.- Registre à décalage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les canaux des côtés opposés sont alignés (figure 8) l'un par rapport à l'autre. 10 8.- Registre à décalage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'agent d'emmagasinage est du silicium. 9.- Registre à décalage suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la couche isolante est du Moxyde de silicium. 15 10.- Registre à décalage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les bandes électrodes (25) s'étendent en. direction orthogonale aux canaux► 11.- Dispositif à couplage de charge suivant la revendication 1, pour relier entre elles une ou plusieurs lignes de 20 transmission électrique entrantes à une ou plusieurs lignes de transmission électrique sortantes, caractérisé en ce qu'il comporte un agent d'emmagasinage mince présentant un premier ensemble de plusieurs lignes de transfert de charge parallèles (1,2,3) d'un côté de l'agent mince, un second ensemble de plu-25 sieurs lignes de transfert de charge parallèles (a,b,c) de l'autre côté de l'agent d'emmagasinage s'étendant en direction orthogonale au premier ensemble de lignes de transfert de charge, les moyens électriques comprenant des moyens pour relier entre elles sélectivement une quelconque des lignes du premier en-30 semble et une quelconque des lignes du second ensemble, ces moyens comprenant un arrangement d'électrodes de transfert (la - 1c , 2a - 2c, 3a - 3c) situées en chaque point où une ligne du premier ensemble de lignes coupe une ligne du second ensemble de lignes, sauf pour l'épaisseur de l'agent, et des 35 moyens (68)pour polariser électriquement une électrode de transfert choisie pour faire que la charge dans une ligne de transfert de charge d'un côté de l'agent d'emmagasinage se 71 45154 13 2118110 transfère à une ligne de transfert de charge du côté opposé de l'agent. 12.- Dispositif à couplage de charge suivant la r evendi-cation 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux sites d'emmagasinage d'un côté de la plaquette et un site unique d'emmagasinage du côté opposé de la plaquette de volume plus grand que l'un et l'autre des deux sites, et des moyens électrodes (71972,73) pour transférer des charges des deux sites à un site plus grand.