Brevet FR2133893A1 — publié le 19721201

*■•1 *-• 2133893 La présente invention se rapporte aux dispositifs semi-conducteurs à couplage par charge et vise plus particulièrement un dispositif à couplage par charge électrique dans lequel les électrodes espacées, disposées sur une couche 5 d'oxyde de substrat semi-conducteur, sont interconnectées par une matière résistive. W. S. Boyle et G. E. Smith ont décrit le principe fondamental des dispositifs semi-conducteurs à couplage par charge dans un article publié dans le "Bell System Technical 10 Journal" (Journal technique de la Société Bell System) du 19 avril 1970, page 587 ayant pour titre "Charge Coupled semi-conductor Devices" (Dispositifs semi-conducteurs à couplage par charge). Tel que décrit par Boyle et Smith, un dispositif à couplage par charge consiste en une structure métal-isola-15 tion^-semi-conducteur (MIS) dans laquelle des porteurs mino ritaires sont accumulés dans une région d'appauvrissement délimitée dans l'espace, appelée également puits de tension, à la surface de la matière semi-conductrice Comme discuté par Boyle et Smith, les dispositifs à couplage par charge présentent une utilité potentielle en tant que registres à décalage, lignes à retard, et, en deux 30 dimensions, comme dispositifs de reproduction d'image ou dispositifs d'affichage. L'un des problèmes posés par la construction des dispositifs à couplage par charge réside en ce que les électrodes doivent être étroitement rapprochées» Un espacement 35 typique nécessaire est de 0,00254 mm ou environ 2,5 microns. Des variations dans l'espacement ont pour effet des variations 72 13782 -2- 2133893 de la tension entre électrodes» Ces variations influent sur le rendement du transfert de charge le long de la surface de la matière semi-conductrice. Cette invention améliore le rendement du transfert 5 de charge le long de la surface du dispositif semi-conducteur et, en même temps, réduit les difficultés du procédé liées à la réalisation de l'espacement d'une pluralité d'électrodes le long de la surface d'une couche d'isolation recouvrant la matière semi-conductrice» La structure de cette invention 10 peut être fabriquée avec un rendement plus élevé que celui qui est obtenu avec les structures à couplage par charge de la technique antérieure. Selon cette invention, un dispositif à couplage par charge comprend un substrat semi-conducteur sur lequel 15 est formée une couche isolante ; une pluralité d'électrodes espacées sont formées sur la surface de la couche isolante et séparées les unes des autres par une matière résistive. Dans un mode de réalisation, les électrodes sont formées avec un métal et une matière résistive est placée entre les 20 électrodes. Dans un autre mode de réalisation, les électrodes sont formées à partir de silicium polycristallin fortement dopé tandis que la matière résistive est du silicium polycristallin sensiblement intrinsèque. D'une façon surprenante, la structure de cette in-25 vention accroît l'espacement permissible entre les électrodes, sans présenter une diminution quelconque du rendement avec lequel la charge est transférée de dessous une électrode à une électrode adjacente. La matière résistive entre les électrodes garantit qu'il nrexiste pas de barrière de potentiel 30 entre électrodes, sbpposant au transfert de charge. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit et à l'examen du dessin annexé dans lequel ï - La figure 1 représente en perspective isométrique 35 la structure de cette invention ; - La figure 2 montre, en coupe, une partie de la structure de cette invention réalisée en utilisant un silicium polycristallin, et 72 13782 -3- 2133893 - la figure 3 montre en coupe la structure d'une variante construite selon les principes de l'invention. Un dispositif à couplage par charge 10 (figure 1) comporte un substrat ser.ii-conducteur 11 sur une surface duquel 5 est formée une couche isolante 12. Pour faciliter la description de la présente invention, mais sans aucune limitation des possibilités générales d'application des enseignements de la présente demande, le substrat 11 sera décrit comme é-tant en silicium et la couche isolante 12 sera décrite comme 10 étant du bioxyde de silicium. Cependant, il est bien connu que toute matière semi-conductrice capable d'entretenir une charge de surface, ainsi qu'une couche ou des couches diélectriques appropriées 12, peuvent être utilisées avec cette invention. 15 ' Une pluralité d'électrodes 13a à 13g séparées par une multiplicité de zones de matière résistive 14a à 14f recouvrent la couche d'oxyde 12. Comme décrit dans l'article cité ci-dessus d'Amélio et autres, une grande variété d'oxydes présentent une accumu-20 lation de charge de surface. Les meilleurs résultats obtenus par Amélio et autres l'ont été avec un oxyde sec de 1200 Ang-stroms d'épaisseur que l'on a fait croître dans l'oxyde à 1 100°C (Amélio et autres "Bell System Technical Journal" d'avril 1970 p. 594). De tels oxydes sont bien connus dans 25 la technique et, de ce fait, le procédé utilisé pour former l'oxyde sur le substrat 11 ne sera pas décrit en détail. Les électrodes 13a à 13g sont formées sur la surface supérieure de l'oxyde 12. Des parties constituées par un mince film de matière résistive 14a à 14f séparent les électrodes 30 13a à 13g. Les espacements typiques entre les électrodes dans la technique antérieure sont approximativement de 0,00254 mm. En utilisant une matière résistive entre les électrodes, la Demanderesse a obtenu des'dispositifs à couplage par charge -qui fonctionnent d'une façon satisfaisante avec des espacements 35 entre électrodes allant jusqu'à 0,01016 mm où 10 microns» Un mode de réalisation de l'invention a été obtenu en formant une couche 13 (figure 2) de silicium polycristalliiî 72 13782 -4' 2133893 sur l'oxyde 12. lacouche 13 a été masquée pour laisser exposées des parties choisies du silicium polycristallin correspondant aux électrodes que l'on désirait former sur la surface de l'oxyde. Ensuite, un dopant choisi a été diffusé dans j les régions exposées du silicium polycristallin pour former les électrodes conductrices 13a à 13g. En contrôlant ce dopant particulier diffusé dans la matière de silicium polycristallin exposée, on contrôle la différence de fonction de travail (ou différence de travail de sortie) entre les électrodes de porte et le substrat sousjacent. les zones de résistance en silicium polycristallin sensiblement intrinsèque, telles que les zones 14a à 14g séparent les électrodes en silicium polycristallin dopé. Si désiré, une couche diélectrique finale 15 est placée sur la couche 13° Oette couche diélectrique qui peut, par exemple, être constituée par du nitrure de silicium, assure une fermeture hermétique de la surface de la matière polycristalline sousjacente 13 et la protège. Une structure, réalisée selon cette invention, présente un espacement entre les électrodes qui est accru d'un facteur de quatre par rapport à l'espacement décrit dans l'article précité d'Amélio et autres. Ces structures ont fait preuve d'un transfert de charge extrêmement rapide, la raison n'en est pas complètement comprise. On a remarqué qu'en construisant des dispositifs sans matière résistive entre les électrodes, les rendements étaient sensiblement plus faibles que lorsqu'on a construit des dispositifs comportant une matière résistive entre les électrodes. Une résistance typique de la matière entre chaque électrode est supérieure à 100 mégohms. la résistance résultante extrêmement élevée résulte en des dispositifs construits selon cette invention qui ont une très faible dissipation d'énergie. Une dissipation typique pour un registre à décala-g^briphase de huit bits est d'environ trois (3) microwatts. Ce calcul est fait en supposant une différence de 10 volts BAD ORIGINAL 72 13782 -s- 2133893 entre toutes les électrodes à tout instant» En pratique cependant, des impulsions retardées sont appliquées aux électrodes et la consommation d'énergie totale d'un tel dispositif est inférieure au chiffre ci-dessus d'un facteur d'environ 2/3. Le dispositif construit selon là présente invention a les dimensions suivantes (voir figure 1) î XQ = 1.000 A "% = °>1524 mm •k(j = 0,01016 mm Zq = 0,0508 mm L'épaisseur des électrodes et de la matière résistive est typiquement de 0,5 microns. Dans un dispositif à couplage par charge, la charge accumulée sous une électrode est transférée à une électrode adjacente en déplaçant le puits de potentiel de la première électrode à l'électrode adjacente. Le transfert des porteurs minoritaires peut être obtenu seulement lorsqu'il n'y a pas de barrière de potentiel selon l'interface de la matière semi-conductrice et de l'isolation entre deux électrodes adjacentes. Tandis que, dans la technique antérieure, cette élimination des barrières de potentiel était réalisée en plaçant les électrodes à proximité l'une de l'autre, le rapprochement des électrodes rendait le processus de masquage difficile. La matière résistive de cette invention, placée entre les électrodes, garantit que la distribution de la tension sur la surface isolante entre les électrodes est plus proche de la linéarité que dans les structures de la technique antérieure. Ainsi, il n'y a pas ae barrière de potentiel selon l'interface de la matière semi-conductrice et de l'isolant, même avec des espacements relativement importants entre électrodes. La résistance de couche de la matière de résistance en mince film entre les électrodes est importante afin de donner l'assurance d'un faible courant de fuite. La figure 3 montre une variante de la présente invention. Comme dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, un diélectrique 12 est formé sur la matière semi—conductrice 11. Une couche de matière résistive 14 est alors formée BAD ORIGINAL 72 13782 2133893 sur le diélectrique 12 auquel elle adhère. Ensuite, une couche de métal (non représentée sur la figure 3) est formée sur le dessus de la couche de matière résistive 14. Cette couche est masquée pour protéger les parties de la couche métallique 13 qui doivent être conservées sur la matière résistive 14, en tant qu'électrodes» Ensuite, le métal est enlevé, d'une façon typique, par gravure, la structure résultante comporte des électrodes métalliques 13a à 13d disposées sur la matière résistive 14 sur le dessus du diélectrique .12. BAD ORIGINE 72 13782 2133893 -REVENDICATIONS- 1Un dispositif à couplage par charge comportant un substrat en matière semi-conductrice, une couche isolante placée sur la surface du substrat et une pluralité d'électrodes placées sur la couche isolante, caractérisé en ce que 5 ladite pluralité d'électrodes sont séparées les unes des autres par une matière résistive. 2,- Dispositif à couplage par charge selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière résistive est du silicium polycristallin. 10 3«- Dispositif à couplage par charge selon la reven dication 2, caractérisé en ce que les électrodes sont constituées par des zones sélectivement dopées de matière polycristalline séparées par une matière polycristalline intrinsèque. 4.- Dispositif à couplage par charge selon la reven-15 dication 3, caractérisé en ce que le substrat est en silicium et la couche isolante est en bioxyde de silicium.