Brevet FR2202370A1 — publié le 19740503

Cette invention concerne les dispositifs semi-conducteurs à couplage par la charge et plus particulièrement un dispositif à couplage par la charge dans lequel les porteurs minoritaires sont stockés et transférés dans la masse de la matière semi-conductrice au voisinage de l'interface semi-conducteur isolant et non immédiatement après l'interface semi-conducteur isolant. W.S.3oyle et G.E.Smith ont décrit le concept de base des dispositifs semi-conducteurs à couplage par la charge dans un article publié dans le numéro du 19 avril 1970 du HBell Systèm technical Journal" page 587 et intitulé "charge coupled semi-conductor devices". Comme décrit par Boyle et Smlth; un dispositif à couplage par la charge est constitué par une structure métal-isolant-semi-conducteur (MIS) dans laquelle les porteurs minoritaires sont stockés dans une "région de déplétion définie dans l'espace" appelée également "puits de potentiel", å la surtace de la matière semi-conductrice. les charges sont déplacées le long de la surface en déplaçant le minimum de potentiel.Un article à la page 93 du même volume du Bell Systèm technical Journal" par Amélio et autres, intitulé "Experimental verification of the charge coupled device condept", décrit des expériences effectuées pour démontrer la possibilité de mise en oeuvre du concept du dispositif à couplage par la charge. Comme mentionné par Boyle et Smith les dispositifs à couplage par la charge peuvent être utilises en tant que registres à décalage, lignes à retard et, en deux dimensions, comme dispositifs ou de priae d'images ou d'affichage, La demanderesse a décrit dans sa demande de brevet français n0 72 13782 du 14.4.1972 ayant pour titre Dispositif à couplage par charge à électrode résistante continue" (Invention Xim et Snow) à couplage par la charge dans lequel les électrodes espacées sont formées sur la surface d'une couche isolante qui, à son tour, est placée sur le substrat semi-conducteur. Chaque électrode est espacée des électrodes adjacentes par une matière résistive. Dans les dispositifs à couplage par la charge décrits dans ce document de la technique antérieure, les porteurs m#no ritaires sont stockés et transférés le long d'une interface entre le silicium et le bioxyde de silicium. Des rendements de transfert arbitrairement proches de l'unité peuvent être obtenus simplement en laissant un temps suffisant pour que les porteurs minoritaires soient transférés. En pratique, cependant il s'est avéré difficile dans les dispositifs à canal en surface d'obtenir des rendements de transfert de beaucoup supérieures à 99,9G/ & par transfert, même pour un signal proche de l'état de saturation.On admet, en général, que la limite de tels rendements de transfert est due au piégeage des porteurs minoritaires dans des états à longue constante de temps à l'interface sili cium-boxyde de silicium. Cette hypothèse est supportée par le fait que dans les dispositifs à canal en surface, les'rendements de transfert diminuent considérablement lorsque le niveau du signal est réduit à une petite fraction du niveau de saturation; par exemple, le pourcentage des pertes de transfert peut s'accroître d'un ordre de grandeur ou davantage. l'interface silicium-bioxyde de silicium présente des états de surface qui peuvent piéger les porteurs minoritaires avec un très court temps de capture et un long temps d'émission.De ce fait, un tel "dispositif à couplage par la charge, à canal en surface" perd sa charge de signal en cours du processus de transfert, en particulier aux hautffl fréuences. Ainsi, le piégeage des porteurs minoritaires fixe une limite supérieure au rendement de transfert qui peut être obtenu avec ce type de dispositif à couplage par la charge. Cette invention a pour objet une structure pour accroitre le rendement et la rapidité du transfert qui peuvent être obtenus dans un dispositif à couplage par la charge. Selon cette invention, un dispositif à couplage par la charge stocké et transfére les porteurs minoritaires dans la masse du semi-conducteur au voisinage de l'interface semi-conducteur-isolant et non à l'interface semi-conduc#teur-isolant. Ce dispositif, appelé dispositif à couplage par la charge, à canal enterré est typiquement obtenu en plaçant des impuretés appropriées (des impuretés du type n pour un dispositif à canal de type n et des impuretées du type p pour un dispositif à canal de type p) dans le semi-conducteur, au voisinage de l'interface semi-conducteur-isolant. Typiquement ces impuretés ont implantées en utilisant les techniques d'implantation d'ions. Cette invention sera plus complètement comprise à la lumière de la description qui va suivre considérée en combinaison avec les dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue en coupe de la structure du dispositif à couplage par la charge à canal enterré de l'invention; La figure 2 représente le profil des impuretés suivant la coupe A-A de la figure 1; et la figure 3 représente une distribution particulière de la concentration d'impuretés en travers de la couche 12 (figure 1) et la distribution correspondante de la concentration d'électrons pour diverses valeurs de la charge totale stockée par unité de surface. La figure 1 représente un dispositif à couplage par la charge (DCC) 10 qui comprend un substrat semi-conducteur 11 sur une surface duquel est formée une couche isolante 13. Comme représenté sur la figure 1, le substrat 11 a une conductivité du type p. Il doit être bien entendu, cependant, que les types de conductivités des diverses régions, semi-conductrices du dispositif 10 peuvent etre inversées et ainsi cette description ne doit pas etre interprêtée comme limitant la présente invention aux types de conductivités décrits. Une couche 12, du type de conductivité opposé au type de conductivité du substrat 11, est formée sur la surface supérieure du substrat 11. Cette couche 12 représentée comme étant une couche à conductivité de type n est typiquement formée en utilisant les techniques d'implantations d'ions. Xes techniques sont bien connues et ne seront pas décrites en détail dans la présente description. On doit noter, cependant, que cette couche 12 pourrait également être formée par d'autres techniques, par exemple en faisant croître une couche épitaxiale dopée ou par diffusion.Cependant, l'utilisation de la technique d'implantation d'ons pour former la couche 12 est considérée comme préférable du fait de la commande précise de l'épaisseur de la concentratIon en dopant et de la surface de la couche 12 qui peut être obtenue par la technique d'implantation d'ions. Une couche 14 d'une matière ahernativement conductrice et résistives recouvre la couche isolante 13. les régions 14a comportent la matière résistive tandis que les régions 14b qui servent d'électrode comportent la matière conductrice. Typiquement, les régions 14a sont des régions sensiblement non dopées de matière semi-conductrice polycristalline tandis que les régions 14sont des régions fortement dopées de matière semiconductrice polycristalline. La formation d'une telle structure électrodes-matière résistives alternées est décrite dans la demande de brevet précitée, inventeurs Kim et Snow. Quatre groupes de conducteurs électriques 15, 16, 17 et 18 (représenté schématiquement) sont raccordés aux électrodes 14b. Il est bien entendu qu'il y a autant de groupes de conducteurs électriques, tels que les groupes 15 à 18 qu'il est nécessaire pour le type de dispositif particulier réalisé et que cette invention n'est pas limitée à une utilisation avec des structures ne comportant que quatre groupes de conducteurs, comme représenté.Chaque groupe de conducteurs comporte trois conducteurs, comme représenté sur les dessins, indiquant ainsi que la structure représentée sur les dessins est particulièrement appropriée pour ttre ilisée avec un système de dispositif à couplage par la charge (DCC) à trois phases. il est bien entendu, cependant, que les principes de cette invention sont appliqués à une grande diversité dd types différents de systèmes à dispositifs a couplage par la charge et ne sont pas limités à une utilisation avec des systèmes à trois phases. A l'extrémité droite de la couche de matière 14 est représentée une porte de sortie 19 qui comprend un conducteur 19a et une électrode 19b dans la même matière que les électrodes 14b et commande le passage de la charge stockée d'un puits de potentiel situé au-dessous de l'électrode 18-3 à la diode de sortie 21. Un conducteur 20 connecte la diode de sortie 21 à un circuit d'utilisation extérieur qui peut être constitué, par exemple par un dispositif d'affichage ou par un dispositif de traitement de signaux. Un point fondamental pour le fonctionnement du ditiposi tif de cette invention réside dans la relation entre la couche implantée 12 de matière semi-conductrice et le substrat semiconducteur 11. Tandis que dans une structure de dispositif à couplage par la charge typique de la technique antérieure, les porteurs minoritaires sont stockés et transférés le long de l'interface entre le substrat 11 et l'isolant 13, dans la structure de cette invention Xes porteurs minoriatires sont stockés et transférés à l'intérieur de la couche 12de matière semitconductrice à proximité de l'interface de la couche 12 et du substrat 11. La figure 2 représente la distribution d'énergie électronique suivant la coupe A-A de la structure représentée sur la figure 1. En partant de la tension VG de la porte 16-2, 1'é- nergie électronique diminue à travers la couche isolante 13 (oxyde de silicium). Après le passage de l'interface de la couw che isolante 13 et de la couche semi-conductrice 12, la tension continue de diminuer mais suivant une pente différente. La tenr sion atteint un minimum immédiatement avant que soit atteinte l'interface de la couche 12 et du substrat 11 (silicium), Ensuite, la tension commence à s'élever vers la tension du suba trat 11.Si le substrat Il est mis à la terre, la tension s'é- lève jusqu'au niveau de la tension de la terre ou zéro. le min mum dans la distribution du potentiel à l'intérieur de la couche 12 empoche les porteurs minoritaires, qui sont engendrés par déplétion d'une partie du substrat de type11 directement au dessous de la couche,12, de traverser la couche 12 pour parvenir à l'interface de la couche 12 et de l'isolant 13. Au contraire, les porteurs minoritaires migrent dans la couche 12 et restent dans cette couche au voisinage de l'interface de la couche 12 et du substrat11. lia première condition nécessaire pour un fonctionnement convenable d'un dispositif à couplage par la charge (DCC3 à canal enterré est que, pour un signal nul, la couche implantée 12 (figure 1) soit sensiblement dépourvue fd porteurs majoritaires (électrons dans la couche 12) associés aux donneurs implantés. Ce résultat est obtenu en appliquant une tension positive suffisamment élevée à la diode de sortie 21 (figure 1)a l'extrémité du canal du dispositif DCC élevant ainsi le quasiniveau de Fermi pour les électrons dans la couche implantée et polarisant inversement la diode 21.En outre, les gradients de potentiel engendrés en faisant varier les tensions appli quées aux électrodes recouvrant les puits de potentiel favorisent, dans certaines circonstances, le processus de déplétion. lorsque la couche implantée est sensiblement dépourvue de porteurs majoritaires, un puits d'énergie est formé en un emplacement éloigné de la surface, au voisinage de l'interface de -la couche 12 et du substrat il et le potentiel de ce puits peut etre modulé par la tension appliquée à l'électrode située audessus dudit puits. La charge de signal (des électrons dans la structure de la figure 1) est alors soit engendrée à des puits de potentiel appropriés au-dessous des électrodes des des groupes d'électrodes 15, 16, 17 et 18 'par une lumière incidente sur la région de déplétion disposée sous les électrodes, soit injectée à partit d'une diode d'entrée (non representée). la charge engendrée est alors stockée dans le ou les puits de potentiel appropriés. La charge contenue dans un puits donné est transférée au puits suivant en manipulant les tensions appliquées sur les conducteurs 15-1, 15-2, 15-3 à18-1, 18-2, 18-3, d'une manière bien connue dans la technique. Etant donné que le ou les puits de potentiel contenant la ou les charges stockées sont formés dans La masse de la matière semi-conductrice (en général du silicium) la charge de signal est maintenue éloignée de l'interface semiconducteur-isolant (silicium-bioxyde de silicium) et le problème qui piègeage nar l'état de surface est supprimés Si le profil des donneurs implantés est considéré comme représenté approximativement par un profil à distribution constante ayant un dopage ND et une profondeur, t, la tension du canal#max est liée à la tension de porte VG ar les relations ci-après:: Dans les équations ci-dessus, VFB est la tension de bande uniforme pour la structure électrode (isolant-couche N, NA est le dopage du substrat, q est la Grandeur de la charge électronique, #s et #ox sont resgectivenent les constantes diélectriques du silicium et du bioxyde de silicium, d est l'épaisseur de la couche oxyde isolante et Vim et Vox sont les tensions calculées reflètant l'influence sur la tension de porte de la couche 12. les équations appropriées pour un dispositif à coupla- ge par la charge à canal en surface peuvent être obtenues à par tir de ces équations en posant ND = O et t = O. On notera que l'équation (1) est sous la mdale forme cue l'équation correspondante pour le dispositif DCC à canal en surface à l'exception du terme Vimp qui est la tension à l'interface de la couche implantée 12 et du substrat 11. l'examen des équations ci-dessus montre que les conditions auxquelles doivent répondre les impulsions d'horloge pour le dispositif DCC à canal enterré sont sensiblement les mènes que celles requises pour les dispositifs DCC à canal en surface, mais avec un décalage de tension approprié. Lorsque les porteurs minoritaires sont stockés dans le canal enterré, ils sont distribués dans la matière semi-conductrice de la couche 12 dans une région de largeur finie. lorsque les porteurs minoritaires stockés s'accroissent en nombre, les porteurs sont distribués plus proches de l'interface de la couche 12 et de la couche isolante 13. Un exemple est représenté sur la figure 3 qui représente la distribution de la répartition électronique dans un puits de potentiel enterré pour trois valeurs différentes de la charge total stockée ar unité de surface en lan. Ce résultat a été obtenu en résolvant nuzériquement l'équa tion de poisson à une dimension pour un dispositif DCC à canal enterré avec un profil de distribution en courbe de Gauss pour la couche implantée.A l'examen de cet exemple, on peut constater kue le nombre des porteurs à stocker doit être Limité de telle sorte que les porteurs n'inter-agissent as arec l'in terface substrat 11~couche isolante 15. Etant donné que cette limite se présente avant que le puits de potentiel soit complètement rempli, les capacités de traitement de charge d'un canal enterré d'un dispositif DCC sont plus petites que la charge des impuretés ionisées nettes du canal enterré. Cependant, du fait de l'absence de piègeage en surface, un rendement de transfert élevé peut être obtenu aussi bien pour les signaux faibles que pour les signaux forts.En conséquence, la gamme dynamique utilisable est accrue avec le dispositif à canal enterré par rapport à celle obtenue avec un dispositif à canal en surface. Une autre caractéristique notable du dispositif DCC à canal enterré est que la charge électrique dans la couche isolante 13 est inversée par rapport à celle du dispositif dCD a canal en surface. Ceci implique qu'un dispositif dCC à canal enterré de type - n présente des meilleurs caractéristiques en ce qui concerne la stabilité à long terme vis à vis d'une contamination ionique éventuelle dans l'oxyde qu'un dispositif DCC à canal enterré du type p.D'une manière caractéristique, une telle contamination est constituée par des ions mobiles, chargés posîtive#ent. Dans le dispositif à canal enterré du type n , ces ions sont repoussés à l'interface isolant-électrode o ils ne peuvent as avoir d'effet sur le fonctionneaent du dispositif et non C l'interface isolant-semi-conducteur ou ils modifient les distributions des champs électriques et ont des effets défavorables sur le fonctionnement du dispositif. n outre des champs marginaux plus élevés doivent se produire du fait que les porteurs sont situés plus profondément dans le substrat il ce qui accroit ainsi la fréquence de coupure caractéristique du dispositif.Enfin, on colt noter que le temps de transfert pour un dispositif DCO à canal enterré est déterminé ar la mobilité dans la masse de la couche implantée et non par la mobi- lite en surface sur le substrat. La mobilité dans la ase est de façon caractéristique supérieure à la mobilité en surface aussi bien pour les électrons que pour les trous. Un dispositif DCC à canal enterré a éte réalise conformément aux enseignements de cette invention avec une épaisseur d'oxyde (couche 13,figure 1) d'environ 1700 A et une épaisseur de la couche conductrice 12 comprise entre 0,= et 1 micron. la concentration d'atomes donneurs a a été approximativerent de 1 à 2 x 1016 atomes en admettant un profIl à distribution constante de l'impureté dans la couche 12) tandis que la concentration d'atomes accepteurs dans le substrat il NA a été d'environ 1 à 2 x 1014 d'atomes/CC. L pureté a été placée dans la couche 12 en utilisant les techniques d'implantation d'ions. le concept d'un dispositif à couplage par la charge à canal enterré a été appliqué à un dispositif de lecture d'image linéaire, à 500 éléments. Ce dispositif intègre la lumière sous une porte"photo" qui est divisée en 500 photoéléments par une diffusion d'arrêt délimitant des canaux. Les photoéléments pré- sentent un espacement, de centre à centre, de 0,0305 mm et sont divisés en deux groupes.Chaque groupe transfère sa charge stockée à l'un de deux registres à décalages de 250 bits disposés de chaque c@té des tableaux des photoéléments. les signaux de sortie des deux registres à décalage de 250 bits sont appliqués un registre à décalage à deux bits pour reconstituer la séquence d'origine des photoéléments. les signaux de sortie du registre à décalage court sont alors appliqués à un amplificateur intégré sur la microplaquette formé par des transistors MOS. Tous les registres à décalage sont protégés de la lumière par de l'aluminium et comportent des portes en silicium polycristallin à trois phases avec du silicium polycristallin non dopé, disposé entre elles. Les rendements de transfert ont été mesures avec une source de lumière ponctuelle ou spot lumineux n'éclairant qu'un photoélément. En déplaçant le spot lumineux le long du tableau et en mesurant le signal principal et les signaux retardés provoqués par un transfert incomplet, des rendements de transfert d'environ 99#995#,o ont été obtenus d'une manière courante pour une fréquence de fonctionnement de 1 irez. En outre, aucun changement de rendement du transfert n'a pu être mesuré êe lorsque la charge du signal a été réduite d'un facteur de 10. Dans un dispositif a couplage par la charge à canal enterré, les porteurs de signal, sont, jusqu'à un niveau de signal limite, maintenus éloignés de l'interface Si-SiO2 par le champ électrIque associé a la couche implantée d'ions (donneurs pour un dispositif à canal de type n). Ceci empêche le piégeage an surface des porteurs et permet d'obtenir des rendements de transfert élevés qui sont essentiellement indépendants de la grandeur de la charge de signal. En outre, un dispositif à canal enterré de type n est plus rapide et plus stable vis à vis de la contamination Ionique à l'intérieur de l'oxyde. On doit noter que, dans le mode de réalisation préférentiel de cette invention , on utilise un procédé d'implantation d'ions pour obtenir la réalisation optimale du dispositif. t1u tilisation des techniques d'implantation d'ions permet une comw mande précise de la surface effective et du volume dans lequel les ions déterminant le type de conductivité sont placés. L'utilisation d'électrodes étroitement rapprochées améliore la fiabilité et le rendement, comme décrit dans la demande de brevet précité. On doit également noter que, du fait que la charge de signal stockée est située à une plus grande distance des électrodes dans un dispositif DCC à canal enterré que dans un dispositif DCC à canal en surface, un champs électrique tangentiel lus fort est obtenu pour un dispositif DCC à canal enterré. En conséquence un dispositif DCC à canal enterré a une limite lus élevée de fréquences de fonctionnement. En outre, -:u fait ae l'absence de @iégeage, un rene- ment de transfert élevé est obtenu rouir une gamme plus large de charges de signal. Expérimentalement, des trans- de trans- fert supérieurs a 99,99@ ont été obtenue pour e charges se signaux n'atteignent que 5 de la charge de signal saturée. Bien que dans le dispositif décrit-ci-dessus, le substrat 11 soit en silicium et la coude isolante soit en bioxyde de silicium, il est bien entendu Que toute aatière de semi-conducteur capable se conserver une charge stockée du type stocké dans les dispositifs de couplage par la charge, en combinaison avec une couche ou des couches isolantes 15 appropriées, peut être utilisée avec cette invention. REVLNDICATIONS 1. Un dispositif à couplage par la charge comprenant en combinaison un substrat de matière semi-conductrice une isolation formée sur la surface dudit substrat, des électrodes sélectivement espacées sur ladite isolation, une région dudit substrat semi-conducteur formée par une couche adjacente à ladite isolation ladite région ayant un type de conductivité opposé à celui du substrat sousjacent, mais avec une plus forte concentration d'impuretés. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une matière résistive formée entre les électrodes adjacentes recouvre ladite isolation. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit substrat a une donductivité du type p et ladite région a une conductivité du type n. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit substrat a une conductivité du type n et ladite région a une conductivité du type p. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites électrodes comprennent des zones sélectivement dopées de silicium polycristallin, avec des zones pratiquement non dopées de matière de silicium polycristallin formées entre. les électrodes adjacentes. 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites électrodes sont constituées par des zones sélectivement dopées de silicium polycristallin et ladite matière résistive est constituée par des zones non dopées de matière de silicium polycristallin. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite région a une concentration d'impu retés d'approximativement 1016 atomes/cc et ledit substrat a une concentration dtimpuretés d'approximativement 1014 atomes/cc.