Brevet FR2197239A1 — publié le 19740322

La présente invention concerne un dispositif semiconducteur de lecture d'informations par transfert de charges, comportant une plaquette plane semiconductrice, une électrode plane couvrant une première plage de la surface de ladite plaquette et isolée de cette dernière par une mince couche diélectrique, une seconde électrode plane couvrant une seconde plage de la surface de ladite plaquette et isolée de cette dernière par une mince couche diélectrique, et des moyens pour porter chacune de ces électrodes à un potentiel déterminé par rapport à la plaquette. Les dispositifs de lecture d'informations considérés sont les dispositifs capables de transmettre à des circuits électriques de sortie adéquats, des informations, analogiques ou digitales, reçues sous forme de signaux, codés, électriques, optiques, ou autres. On connaît les procédés de lecture d'informations utilisant les dispositifs MOS (métal-oxyde-semiconducteur) dits à transfert de charge. Dans ces dispositifs, au moyen d'une électrode, isolée d'une plaquette semiconductrice par une couche diélectrique, on crée à la surface de cette plaquette, pour chacun des multiples éléments du dispositif, une zone désertée de ses porteurs majoritaires. Puis on projette par exemple un faisceau lumineux portant l'information à lire, sur la surface correspondant à cette zone désertée, l'élee- trode correspondante et la couche diélectrique étant prévues transparentes pour la gamme d'énergie des photons de ce faisceau.Ces derniers provoquent la création de paires électrons-trous et les porteurs minoritaires sont accumulés près de la surface : c'est ltopération de stockage d'une information sous forme d'un paquet de charges. Un premier inconvénient des dispositifs connus ainsi utilisés est la possibilité de migration de certains des porteurs de charge hors de la zone de stockage, soit dans une autre zone de stockage ce qui crée une diaphotie entre zones de stockage adjacentes, soit dans une zone voisine où ils peuvent soit se recombiner, ce qui entraîne une perte de charge, soit etre piégés, les pièges pouvant les restituer lors du stockage d'une information ultérieure et perturber celle-ci.Les pièces et les centres de recombinaison sont surtout abondants près des bords des plaquettes semiconductrices et peuvent provoquer, par cet effet de bord, un bruit de fond non négligeable. Cet inconvénient est d'autant plus sensible dans les dispositifs à transfert de charge qu'en fin de stockage le potentiel de surface s'est rapproché de O du fait meme de la charge accumulée. La charge stockée dans la zone désertée et constituant l'information est ensuite transférée latéralement vers une autre zone de la meme plaquette, où a par exemple été établi un puits de potentiel de niveau suffisant, au moyen d'une seconde électrode isolée de la plaquette par une couche diélectrique. Un autre inconvénient des dispositifs utilisés selon les procédés connus, est que les porteurs de charge ne sont pas canalisés au cours de l'opération de transfert et que lteffet de la diffusion peut provoquer, comme il a été décrit plus haut, une perte de charge et meme une altération des charges stockées dans une zone voisine, ou ultérieurement stockées dans la meme zone et transférées dans les memes conditions. Toutes les perturbations signalées ci-dessus telles que, pertes de charge, charges parasites, pièges, limitent les possibilités de lecture; dans ces conditions, seules des informations sous forme digitale peuvent etre lues et une lecture d'informations sous forme analogique n'est pas possible. Par exemple, dans une matrice XY, si les informations constituées par les paquets de charge sont sorties selon un décodage en XY, il y a diaphotie entre les informations consécutives issues d'un meme point, et si les informations sont sorties selon un décodage séquentiel, il y a diaphotie entre points adjacents. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de donner à l'opération de transfert d'une charge dans un dispositif du type précité une efficacité et une précision plus grandes. Un autre but de l'invention est d'effectuer la lecture d'informations sous forme analogique, dans de bonnes conditions de rapidité et de sensibilité. Un autre but de l'invention est de permettre la lecture d'informations sous forme électrique ou optique au moyen d'un dispositif simple, fiable et de dimensions minimales. Un autre but de l'invention est de donner, à une matrice de lecture comportant des éléments à transfert de charge, une très haute résolution en meme temps qu'une grande rapidité. L'invention prend en considération le paquet de charges constituant une information élémentaire et s'attache à conserver ce paquet de charges dans son intégrité, au cours de toute l'opération de lecture; pour cela l'invention fait en sorte qu'aucune charge ne soit ajoutée ou retranchée, ou perdue, avant, pendant et après le transfert d'un paquet de charges. - #rtion, le dispositif semiconducteur de lecture dtií matio: ar transfert de charges, comportant une plaquette plane eiccnetrice, une électrode plane couvrant une première plage de la surface de ladite plaquette et isolée de cette dernière par une mince couche diélectrique, une seconde électrode plane couvrant une seconde plage de la surface de ladite plaquette et isolée de cette dernière par une mince couche diélectrique, et des moyens pour porter chacune de ces électrodes à un potentiel déterminé, par rapport à la plaquette, est remarquable principalement en ce que la plaquette comporte, à la périphérie d'une zone de couche superficielle de ladite plaquette correspondant à l'ensemble desdites plages et de la surface qui les sépare, des régions de meme type de conductivité que ladite zone et de plus forte concentration en élé- ments dopants. Le gradient de concentration que présente l'interface entre lesdites régions périphériques et ladite zone crée un champ électrique s'opposant à la migration des porteurs minoritaires vers les régions à forte concentration, ce qui permet de contenir puis de canaliser les charges au moyen des écrans ainsi réalisés. Ainsi le dispositif selon l'invention réunit les conditions pour que le signal qui peut etre recueilli à la sortie du dispositif et qui est constitué par un paquet de charges, soit lié de facon univoque à l'information élémentaire reçue. Le confinement des porteurs de charge pendant le stockage, grâce aux crans constitués par les régions précitées, évite les pertes de charge par diffusion, et piégeage, recombinaisons,/supprime les éventuels effets de bord. Pendant le transfert, le fait de canaliser les charges, grâce à ces memes régions, améliore le rendement de cette opération. L'interférence ou diaphotie entre dispositifs élémentaires voisins dans une meme plaquette est évitée. Selon un mode préférentiel de mise en oeuvre de l'invention, on utilise une plaquette semiconductrice qui comporte deux couches superposées dont une couche superficielle dans laquelle peuvent etre créées des zones désertées de stockage et de réception, et une couche sous-jacente de même type de conductivité et présentant une concentration en éléments dopants relativement très élevée par rapport à la couche superficielle.La couche sous-jacente joue le même rôle que les régions mentionnées plus haut en même temps qu'elle sert d'électrode pour ltetablissement des champs électriques néces saisie dans @@ @@@ @@@@@@@; @a faible r-~-,so z~ couche sous-ja@anre est en même temps un facteur d'amélioration ses performances du dispositif. Les régions périphériques entourant les zones de stockage avec La zone de recepticn orrespondante et éventuellemena -# zone de transfert intermédiaire, peuvent en même temps que la couche sous Jacente à la couche superficielle, servir à l'opération d'efface raient prévue dans le procédé faisant l'objet d'une demande de brevet français déposée simultanément avec la présente demande, au - de la Demanderesse sous le titre : Procédé et dispositif semico;- ducteur pour lire des informations. L'épaisseur de la couche superficielle, à plus faible concentration de dopant, est fonction de la profondeur de la zone désertée dans laquelle sont stockés les porteurs de charges. De préférence, l'épaisseur de la couche superficielle est sensiblement égale à la profondeur de la zone désertée. Dans le cas d'informations reçues sous forme optique au moyen d'un faisceau lumineux, par exemple un faisceau laser projeté sur une zone désertée du dispositif et pour lequel les électrodes et la couche diélectrique d'isolement sont prévues transparentes, la profondeur de la zone désertée est établie en fonction de l'absorption par la couche superficielle photosensible des photons du faisceau portant les informations, absorption qui doit permettre d'atteindre un rendement suffisant dans la création, par ces photons, de paires électron-trou.Par exemple, si le faisceau lumineux portant les informations a une longueur d'onde de l'ordre de 0,5 u, la plaquette photosensible paut être en silicium et la couche superficielle avoir une résistivité de 10 Q.cm, et une épaisseur de 8 p correspondant à une absorption de 98 % des photons. Dans ces conditions, la couche superficielle est avantageusement réalisée par épitaxie sur un substrat de plus faible résistivité, par exemple 10## 3 Q.cm, constituant la couche sous-jacente. Les régions périphériques formant écrans doivent constituer un obstacle à la migration latérale des porteurs minoritaires et présenter dans ce but une forte concentration relative en éléments dopants entraînant un fort gradient à l'interface. Elles sont avantageusement réalisées par diffusion : par exemple la couche superficielle de la plaquette est en silicium ayant une résistivité de 10 Q.cm et la région périphérique à une résistivité superficielle de ,.10 4 A.cm, obtenue par diffusion de phosphore si le silicium est de type N. La largeur d'une région périphérique n'est pas critique, sa surface utile étant située à la jonction avec les zones de stockage, de transfert et de réception. Lorsque le dispositif doit répondre à des impératifs de miniaturisation, la largeur des régions périphériques est limitée au minimum permis par les techniques de masquage et de diffusion, une condition préférentielle étant la continuité de l'obstacle que constitue une région. La profondeur d'une région périphérique n'est pas critique. De préférence, cette profondeur est du même ordre que l'épaisseur de la couche superficielle, de façon à former avec cette dernière un caisson de confinement et de canalisation des porteurs de charges, servant également de surface de collecte des porteurs résiduels en cas d'opération d'effacement. La diffusion des régions périphériques, par exemple de type N dans une couche épitaxique de type N déposée sur un substrat de type N +, peut être avantageusement effectuée en même temps que des diffusions destinées à des éléments de circuits de sortie éventuellement réalisés dans la même plaquette semiconductrice. Le dispositif se prête en particulier à la lecture dtinforma- tions codées selon une matrice X-Y et permet d'utiliser des matrices de lecture en X-Y à haute densité d'informations. Selon les nécessités de sortie des signaux issus de la lecture et selon le système d'acheminement des charges, les éléments d'une matrice de lecture selon l'invention présentent différentes structures. Par exemple, ces éléments sont du type à transfert de charge commandé par grille. Dans ce dernier cas,- l'invention permet de réaliser une matrice de lecture ou de prise de vue à haute densité de points de lecture et à grand débit d'informations.La facilité de localiser les charges avant transfert et de les canaliser pendant le transfert permet de rapprocher au maximum les uns des autres les divers éléments d'une matrice, au point de pouvoir en intégrer un très grand nombre dans une même plaquette. Une telle matrice de lecture comporte, intégrés dans une plaquette semiconductrice, un grand nombre d'éléments photosensibles du type décrit plus haut, rangés en lignes et colonnes; les électrodes des zones de stockage sont par exemple groupées par colonnes sous forme de bandes larges continues parallèles, les électrodes des zones de réception des charges transférées sont groupées par colonnes sous la forme de bandes étroites continues parallèles imbriquées entre les précédentes, des électrodes servant de grilles de transfert sont disposées entre les zones de stockage et les zones de réception, et sont groupées par lignes, sous la forme de peignes perpendiculaires aux bandes précitées, des régions diffusées à la périphérie des zones de stockage forment des peignes parallèles aux bandes précitées entourant chaque zone de stockage, de forme sensiblement carrée, exception faite du côté correspondant au transfert, des drains dispose selon les colonnes, empiétant sur les zones de réception et ayant pour but d'acheminer les charges à des circuits de sortie, sont réalisés par diffusion de type de conductivité opposé à celui de la plaquette. Cette disposition permet d'effectuer par exemple la lecture de mémoires holographiques par projection des hologrammes sur une matrice de 1 cm2 comportant 10 000 éléments photosensibles de grande sensibilité et de grande rapidité. L'invention est applicable dans tous les cas de lecture dtin- formations reçues sous la forme d'un faisceau lumineux, au moyen d'éléments photosensibles à transfert de charge en surface. Les dispositifs selon l'invention peuvent constituer des senseurs d'image destinés à la lecture de mémoires optiques de tous types, ou d'images obtenues par balayage ou par projection, ou destinés à la prise de vue comme par exemple à des caméras de télévision. La description qui va suivre en regard des dessins annexés à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une coupe partielle, selon la ligne AA de la figure 2, d'un dispositif de lecture selon l'invention, et la figure 2 est une vue en plan, partielle, de ce dispositif. La figure 3 est une coupe partielle selon la ligne BB de la figure 4, d'un senseur d'image à transfert de charges commandé par grille. La figure 4 est une vue partielle en plan du senseur d'image représenté sur la figure 3. Le dispositif représenté sur les figures 1 et ? comprend un substrat 1 en un matériau semiconducteur à forte concentration de dopant sur lequel s'étend une couche du même matériau semiconducteur 2 de meme type de conductivité que le substrat 1, mais présen cnncentration en dopant beaucoup plus faible que le substrat 1. Sur la couche 2 s'étend une couche diélectrique 3, et sur cette dernière sont appliquées des électrodes en matériau conducteur comme 4 et 5. Des régions 6, 7, à forte concentration de dopant sont ménagées dans la couche 2, selon un tracé entourant les groupes d'électrodes 4, 5. Des moyens de connexion à une source de tension 8, 9, 10, sont fixés respectivement au substrat 1 et aux électrodes 4 et 5. Une tension est appliquée entre les conducteurs 8 et 9 de fa çon à créer dans # couche 2, sous l'électrode 4, une zone désertée de ses porteurs majoritaires, qui atteigne sensiblement le substrat 1. Un faisceau lumineux 11 est projeté pendant un temps déterminé sur l'électrode 4, qui, de même que la couche 3, est transparente pour la gamme d'énergie des photons de ce faisceau. Les photons sont absorbés dans la couche 2 et créent, dans la zone désertee, des paires électron-trou. Les porteurs de type minoritaire sont attirés et stockés en 12, sous la couche diélectrique 3, à l'aplomb de l'électrode 4.Le gradient de concentration à l'interface 13 entre la zone de stockage 12 et la région 6 empeche la diffusion latérale des porteurs minoritaires, évitant ainsi l'effet des bords de la plaquette 14, et la diaphotie entre la zone 12 et les zones voisines qui peuvent être créées par la polarisation des électrodes voisines 15 et 16. Les régions 6, 7, forment un réseau dont les mailles entourent conjointement chaque zone de stockage, la zone de transfert et la zone de réception correspondante; la zone de réception 17 correspondant à la--zone 12 est ensuite formée par polarisation de l'électrode 5 à un niveau suffisant; la zone désertée 17 ainsi créée constitue un puits de potentiel dans lequel s'écoulent les porteurs stockés dans la zone 12, le transfert s'effectuant à travers unè zone de transfert 18 dans le sens des flèches.Pendant le transfert, les interfaces 13 jouent le rôle écran empêchant la diffusion des porteurs hors des zones 12 et 17. Les charges transférées vers l'électrode 5 sont évacuées de façons différentes selon les dispositifs. Les moyens d'évacuation des charges n'ont pas été représentés sur les figures 1 et 2. Après le transfert et l'évacuation des charges vers les circuits de sortie, une impulsion de tension de polarisation inverse de celle qui provoquait la désertion des porteurs majoritaires, peut être appliquée entre les conducteurs 9 et/ou 10 d'une part, 8 @@@@@@@. @@te~mLon a pour effet de @@@@@@@@ désertes, d'inverser le sens du champ électrique de faire d @er les porteurs minoritaires vers le substrat 1 @@ @@@@@@@@ @.Les interfaces 13 à fort gradient de concentration entre la @@@@ che 2 et ces régions et 19 entre la couche 2 et la ss#r'trut ont de bonnes propriétés de recombinaisons et les porteurs de char- #e résiduels sont ainsi annihilés par le processus de recombinal- son en 1, 6, 7. Les figures 3 et 4 concernent un senseur d'images, compre:-- une matrice en X-Y d'éléments photosensibles du type à transes de charge commandé par grille, formée sur une plaquette 21 de silicium de type N servant de substrat, sur laquelle a été dépotée une couche épitaxique 22 de silicium de type N. La résistivité du substrat 21 est de 5.10- #.cm et celle de la couche 22 de 10 #.cm. La couche 22 a une épaisseur de 8 et supporte une couche diélectri o que de silice 23, d'environ 1000 A d'épaisseur. Des électrodes 24 de silicium polycristallin dopé de même épaisseur, destinées à la formation des zones de stockage, sont plaquées sur la couche 23. Ces électrodes sont réunies par colonnes. Elles sont de dimensions maximales pour offrir une surface maximale de génération de porteurs. Elles sont toutes réunies en bout de colonnes par une bande 26 sur laquelle est appliqué un dépôt métallique 27 pour la prise de contact. Des électrodes 25 sont imbriquées entre les dents du peigne formé par les électrodes 24. Elles sont réunies en bout de colonnes et munies d'une prise de contact commune non représentée. Une seconde couche d'oxyde de silicium 28 recouvre la totalité de la plaquette : cette seconde couche est destinée à améliorer la transmission des rayons lumineux qui doivent parvenir à la couche 22 et en même temps constitue une passivation du dispositif. Un dépôt d'aluminium 29, en forme de peignes réalise les électrodes de grille, destinées à commander le transfert des charges stockées sous les électrodes 24 vers les zones de réception sous les électrodes 25. Des régions 30 obtenues par une diffusion de phosphore avec une concentration superficielle de l'ordre de 5.1020 atomes par cm forment autour des zones de stockage des écrans empêchant la migration des porteurs de charge. Ces régions sont en forme de peignes dont les dents orientées dans la direction X séparent les différentes zones de stockage d'une même colonne. Les régions 30 ont une profondeur de l'ordre de l'épaisseur de la couche 22 et une largeur minimale. Des régions 31 obtenues par diffusion de bore leur donnant le type P et une résistivité superficielle de 10 2 Q.cm, de forme linéaire, orientées dans la direction Y et d'environ 2 p de profondeur, constituent les drains dont le rôle est d'évacuer, vers les circuits de sortie, les charges transférées sous les électrodes 25. Après transfert et évacuation des charges, ces deux opérations pouvant être provoquées simultanément, une impulsion de tension est appliquée entre les électrodes 24 et une électrode 32 de façon à créer momentanément un champ électrique qui attire les porteurs résiduels de charges transférées, vers l'interface N/N+ 33. La dimension des zones de stockage, déterminée par les bandes d'électrodes 24 et la distance entre les dents du peigne constitué par les régions 30 est d'environ 100 x 100 , ce qui permet d'avoir une matrice de 104 points sur une surface de l'ordre de 1 cm. Ces très faibles dimensions permettent la lecture de mémoire sur plaques holographiques du type utilisé dans les ordinateurs, du fait notamment de l'efficacité de transfert et de l'absence de toute diaphotie. - REVENDICATIONS 1.- Dispositif semiconducteur de lecture d'informations par transfert de charges comportant une plaquette plane semiconductrice, une électrode plane couvrant une première plage de la surface de ladite plaquette et isolée de cette dernière par une mince couche diélectrique, une seconde électrode plane couvrant une seconde plage de la surface de ladite plaquette et isolée de cette dernière par une mince couche diélectrique, et des moyens pour porter chacune de ces électrodes à un potentiel déterminé par rapport à la plaquette, caractérisé en ce que la plaquette comporte, à la périphérie d'une zone de couche superficielle de ladite plaquette corres pnndant à l'ensemble desdites plages et de la surface qui les sépare, des régions de même type de conductivité que ladite zone et de plus forte concentration en éléments dopants. 2.- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite plaquette comporte deux couches superposées dont une couche superficielle et une couche sous-jacente de même type de conductivite et présentant une concentration sensiblement plus élevée. 3.- Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'interface entre ladite zone de la couche superficielle et lesdites régions présente un gradient de concentration très élevé. 4.- Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3 caractérisé en ce que les régions périphé#riques ont une profondeur du même ordre que la couche superficielle et forment un caisson avec cette dernière. 5.- Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que la couche superficielle a une épaisseur sensiblement égale à la profondeur de la zone désertée qu'il est nécessaire d'y créer pour le stockage d'une information. 6.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les régions périphériques sont des régions diffusées. 7.- Dispositif de lecture d'informations optiques selon l'une des revendications 1 à 6 comportant une plaquette photosensible, des électrodes et une couche diélectrique transparentes et intégrant une matrice de dispositifs élémentaires disposés en lignes et en colonnes, caractérisé en ce que les régions périphériques sont disposées selon une configuration de peignes parallèles les uns aux autres, les zones destinées au stockage, au transfert et à la réception des charges correspondant aux informations, étant situées - les @@@@ desdits peignes. 8.-Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que des électrodes servant de grilles de transfert sont disposées entre les plages des zones destinées au stockage et à la réception des charges, et en ce que ces électrodes sont groupées par lignes sous forme de peignes perpendiculairement aux peignes de régions périphériques. 9.- Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8 caractérisé en ce que les électrodes couvrant les premières plages destinées au stockage d'une part, les électrodes couvrant les secondes plages destinées à la réception d'autre part, sont groupées par colonnes sous forme de bandes continues, réunies et alimentées en extrémité de colonnes. 10.- Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9 réalisé dans une plaquette de silicium de type N, caractérisé en ce que les électrodes couvrant lesdites plages sont en silicium polycristallin dopé et recouvertes d'une couche de dioxyde de silicium, les électrodes servant de grilles de transfert étant en aluminium dépose. 11.- Procédé de réalisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, selon lequel on dépose, sur un substrat de silicium de faible résistivité, une couche épitaxique de forte résistivité, caractérisé en ce qu'on diffuse à partir de la surface de cette couche des régions de même type de conductivité et de plus forte concentration en éléments dopants, jusqu'à une profondeur au plus égale à l'épaisseur de ladite couche, selon une configuration comprenant lesdites régions périphériques et des régions d'éléments de circuits de sortie des informations.