Brevet FR2240529A1 — publié le 19750307

La présente invention concerne, d'une manière générale, les dispositifs à transfert de charge et se rapporte plus parti culièrementà un procédé perfectionné pour assurer la directivité du transfert de charge dans de tels dispositifs. Un dispositif à transfert de charge MOS (Métal-oxyde-semi-conducteur) typique comporte un ensemble d'electrodes en métal disposées sur une couche diélectrique qui est elle-même disposée sur un substrat semi-conducte#ur. La charge est emmagasinée dans le dispositif en localisant des porteurs minoritaires à l'intérieur du semi-conducteur dans des régions situées sous certaines des électrodes métalliques, par l'application de tensions externes aux électrodes pour créer des minima de potentiel (puits ou cuvettes de potentiel) au-voisnage de ces électrodes. En faisant varier de façon appropriée les tensions appliquées aux différentes électrodes, les minima de potentiel peuvent être déplacés d'une électrode à une autre induisant ainsi le transfert de la charge emmagasinée d'une région à une autre. Dans la technique antérieure, un procédé utilisé pour obtenir la directivité du transfert de charge a consisté à utiliser un dispositif triphasé dans lequel une électrode sur trois est connectée à un conducteur commun. La directivité est assurée en transférant la charge au moyen de tensions externes appliquées en une séquence chronologique de trois phases. La séquence de tension triphasée sert à établir un puits de potentiel très peu profond sous les électrodes adjacentes à un cté de celles sous lesquelles la charge# a été initialement emmagasinée. Ce puits de potentiel peu profond sert de barrière pour empêcher que la charge ne ~reflue" en arrière lorsqu'un transfert est effectué. En effet, dans ce cas, ltépaulement de potentiel peu profond fourni par la structure triphasé sert à assurer la directivité du transfert de charge. On a également déjà construit des dispositifs-de transfert de charge qui utilisent un s#ystème ne comportant que deux phases suivant lequel les tensions externes sont appliquées aux électrodes en une séquence chronologique de deux phases. Dans ces dispositifs diphasés, le transfert de charge est effectué en appliquant des impulsions de tension aux électrodes -adjacentes de sorte que la profondeur des puits de potentiel dans lesquels la charge est à ce moment emmagasinée est diminuée tandis que, simultanément, la profondeur des-puits de potentiel adjac#ents est accrue. La charge est ainsi transférée aux puits de potentiels qui viennent d'être approfondis. La directivité est également assurée dans ce cas créant un épaulement de potentiel sous chaque électrode qui empêche la charge de revenir en arrière.Un procédé connu dans la technique pour créer cet épaulement de potentiel consiste à utiliser une couche d'oxyde non uniforme sous chaque électrode. Si la couche d'oxyde est plus épaisse sous un coté de l'électrode que sous l'autre, la variation de l'épaisseur du diélectrique produit une variation de la force de potentiel sous l'électrode. Il est ainsi créé un épaulement de telle sorte que la charge est emmagasinée de préférence sous le côté de l'électrode où le puits le plus profond est situé. Au cours d'un transfert de charge, la présence d'un épaulement de potentiel empêche que 12 charge ne revienne en arrière. En pratique, cependant, il est difficile de concevoir et de fabriquer des dispositifs à épaisseurs d'oxyde multiples qui permettent de réaliser un transfert de charge efficace.Typiquement, pour obtenir un transfert efficace, l'une des épaisseurs d'oxyde doit être de beaucoup supérieure à l'autre, les rapports d'épaisseurs étant par exemple de l'ordre de 1:3 à 1:5. En outre, pour fabriquer le dispositif, deux étapes séparées sont nécessaires pour faire croître et graver deux couches d'oxyde. Ainsi, il est désirable d'assurer la directivité du transfert de charge par d'autres moyens que l'utilisation de dispositifs à plusieurs niveaux d'oxyde. Un autre procédé utilisé pour assurer la directivité du transfert de charge dans un dispositif diphasé est décrit dans la demande de brevet france n0 74 20 711 du 14 Juin 1974 au nom de la Demanderesse. Dans le dispositif décrit dans cette demande de brevet, la directivité est assurée en utilisant des électrodes qui comportent une partie fortement conductrice et une autre partie fortement résistive.Lorsqu'une tension diphasée appliquée aux électrodes change de phase, le potentiel, sous la partie conductrice de chaque électrode suit le changement presqutinstantanément. Par contre, la partie résistive de chaque électrode fonctionne, en combinaison avec la couche d'oxyde isolante, comme une ligne à résistanceicapacité répartie qui ralentit la vitesse de changement de potentiel dans la région située au-desous de la partie résistive de l'électrode. La variation retardée d'une partie du puits de potentiel crée une barrière de potentiel qui empêche la charge de revenir en arrière. Bien que ce procédé pour assurer la directivité n'utilise qu'une unique#couche d'oxyde d'épaisseur uniforme, il est nécessaire de prévoir une étape pour l'ajustement de la résistivité des électrodes (par exemple par implantation d'ions d t impureté dans la couche résistive) au cours de la fabrication.- En outre, aux fréquences de fonctionnement très élevées, la dissipation d'éner- - gie dans la couche resistive peut devenir importante. Encore un autre procédé utilisé pour former un-"épaulement" de potentiel afin d'assurer la directivité dù transfert de charge dans un dispositif diphasé, utilise des électrodes qui sont construites en deux éléments séparés, chaque élément étant connecté à un niveau de tension différent. On fait varier les deux niveaux de tension de manière à toujours maintenir une différence de tension constante entre eux. Cette différence de tension crée une barrière de potentiel pour-assurer que la charge ne revient pas en arrière, lorsqutelle est transférée à ltélec- trode suivante. Ce procédé nécessite typiquement l'utilisation de quatre lignes communes différentes et les interconnexions correspondantes entre ces lignes et les électrodes. Un inconvénient important de cette construction utilisée pour assurer la directivité du transfert de charge se présente lorsque le dispositif est utilisé comme mémoire d'ordinateurJ Typiquement lorsqu'il est utilisé comme mémoire, le dispositif à transfert de charge est organisé suivant une configuration en zig-zag sur une microplaquette de semi-conducteur, la charge étant transféré linéairement jusqu'au bout d'une section puis en sens inverse suivant la section suivante et ainsi de suite. Ainsi, lorsque le dispositif nécessite I1 utilisation de quatre lignes communes et de nombreuses interconnexions avec ces lignes communes, comme ceci est le cas dans le dispositif de la technique antérieure, une partie importante de l'espace disponible sur la microplaquette est gaspillée. Il serait ainsi désirable de disposer d'un dispositif de mémoire dans lequel la directivité soit assurée par une structure relativement simple, utilisant une unique épaisseur d'oxyde mais qui nécessite un plus petit nombre~ de lignes électriques communes et de connexions électriques correspondantes avec les diverses électrodes. Conformémaent aux modes de réalisation préférentiels de l'invention qui ont été représentés, la présente invention-assut re la directivité du transfert de charge dans un dispositif à transfert de charge a diphasé en utilisant un ensemble d'électrodes flottantes en combinaison avec un ensemble d'électrodes qui sont- commandées par une alimentation en tension diphasée. Les électrodes flottantes sont couplées par un couplage capacitif aux électrodes commandées à travers une couche d'oxyde de manière à maintenir une différence de potentiel entre chaque électrode flottante et L'électrode commandée avec laquelle elle coopère. Cette différence de potentiel agit pour constituer l'épaulement de potentiel nécessaire pour empêcher la charge de revenir en arrière lorsqu'elle est transférée de la région située au-dessous d'une électrode à la région située au-dessous d'une électrode adjacente. Etant donné que le potentiel des électrodes flottantes résulte de leur couplage capacitif avec les électrodes commandées, aucune ligne commune n'est nécessaire pour mettre sous tension les ~électrodes flottantes. En conséquences, aucune connexion électrique d'un type quelconque nta besoin d'être établie avec l'ensemble d'électrodes flottantes.Une mémoire construite selon l'invention peut ainsi être fortement entassée sur une microplaquette dans une configuration en#zig-zag avec un minimum d'espace de la microplaquette utilisé pour les conducteurs électriques et les connexions. D'autres ~caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre et à ltexamen des dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une représentation-sehematique d'un dispositif à transfert de charge diphasé connu dans la technique antérieure; - la figure 2 représente un dispositif à transfert de charge comportant un ensemble d'électrodes flottantes; - la figure 3 est une vue, à plus grande échelle, montrant le couplage capacitif entre les divers éléments d'un dispositif à transfert de charge utilisant un ensemble d'électrodes flottantes. - -la figure 4 représente le rapport entre les tensions appliquées aux diverses électrodes commandées et la tension induite sur une électrode flottante coopérante; - la figure 5 représente une partie d'une microplaquette de mémoire utilisant un dispositif à transfert de charge. La présente invention sera plus facilement comprise en se référant tout d'abord à un dispositif typique connu dans la technique antérieure, tel que le dispositif représenté sur la figure 1. On a représenté sur la figure 1 une première paire d'électrodes lia etlib séparées spatialement par une couche diélectrique 12. Ces électrodes et la couche diélectrique 12 sont disposées sur une tranche de semi-conducteur comportant un substrat semi-conducteur 14 et une couche isolante 16.L'électrode lia est connectée à une ligne commune 17a à laquelle est appliquée une tension d'une première phase cette tention étant désignée (- VPI9). L'électrode 11b est connectée à une seconde ligne commune désignée 17b qui est maintenue au niveau de tension La # . La répartition de potentiel au-dessous de la paire d'électrodes lia et lit comporte, en conséquence, un épaulement de potentiel 12.Une seconde paire d'électrode 13a et 13b est disposée adjacente à la paire d'électrode lia et iib. L'électrode 13a est électriquement connectée à une troisième ligne commune 19a à laquelle est appliquée une tension d'une seconde phase ~ 2, cette tension étant désignée (- V L). L'électrode 13b est connectée à une quatrième ligne commune 19b qui est maintenue à une tension (-V##-ftV). Dans le rapport de phases représenté, la tension#p/2 est plus grande que la tension V f 1 de sorte que la répartition du potentiel sous la seconde paire d'électrodes est partout plus profonde que la tension sous les paires d'électrodes adjacentes.Comme dans le cas précédent, un "épaulement" de potentiel est maintenu entre les électrodes 13a et 13b. Une troisième paire d'électrodes 15a et 15b a été également représentée. L'électrode 15a est connectée à la ligne commune 17a et l'électrode 15b est connectée à la ligne commune 17b, entraî- nant la présence sous cette paire d'électrodes d'un potentiel identique au potentiel sous la paire d'électrodes lia, Ilb. Dans la configuration représentée, la charge est emmagasinée dans le substrat semi-conducteur 14 sous la paire d'électrodes 13a, 13b et en particulier sous l'électrode 13b.Lorsque des impulsions de tension sont appliquées aux lignes de tension de telle sorte que la tension (-V#l) est appliquée aux lignes 19a et 19b tandis que la tension (-V#2) est appliquée aux lignes 17a et 17b, la répartition de potentiel sous les paires d'électrodes lia, 11b et 15a, 15b devient profonde tandis que la répartition sous la paire d'électrodes 13a, 13b devient peu profonde. Toute charge emmagasinée sous l'électrode 13b est transférée à la région située sous l'électrode 15b mais n'est pas étalée en retour du fait de l'épaulement existant sous l'électrode 13a.Pour obtenir cette directivité cependant, de nombreuses lignes électriques communés et de nombreux conducteurs sont utilisés qui occupent une grande partie de l'espace disponible sur une microplaquette de semi-conducteur sur laquelle le dispositif est monté. Sur la figure 2, on a représent" un substrat 21 de matière semi-conductrice, par exemple Si, GaAs ou GaP ou autres semi-conducteurs appropriés. Sur le substrat 21 est déposée une couche isolante 23 d'une matière diélectrique qui peut être, par exemple, SiO2, Si3N4 ou Al2O3ou autre diélectrique convenable. Sur la couche isolante 23 est disposée un ensemble d'électrodes qu-i sont commandées par une source de- tension- diphasée. Trois éléments de cet ensemble d'électrodes commandées sont représentés et désignés par les références 25a, 26a, et 27a. Les électrodes peuvent être formées par exemple en des matières telles que du silicium polycristallin ou une mince couche de métal (ayant une épaisseur de quelques milliers d'angstroms). Les dimensions typiques des électrodes commandées sont d'environ 10 P sur 5 p. L'espacement entre les électrodes commandées peut être d'environ 5 > i. On a également représenté sur la figure 4, un ensemble coopérant d'électrodes auxquelles aucune connexion électrique d'un type quelconque n'est effectuée. On a représenté trois de ces électrodes 1'flottantes" qui sont désignées par les références 25b, 26b et 27b, ces electrodes coopérant respectivement avec les électrodes commandées 25a, 26a, et 27a.Les électrodes flottantes sont maintenues à une distance donnée au-dessus des électrodes commandées et au-dessus de la couche isolante 23 au moyen d'une autre couche isolante 29 qui peut être, par exemple, en Si02, Si3N4 ou A1203 ou toute autre matière diélectrique convenable. Pour que le dispositif fonctionne de façon efficace ce, les électrodes flottantes, ou les groupes d'électrodes flottantes doivent êtr#e au même potentiel avant le fonctionnement. Cette condition sera satisfaite Si la fabrication comporte une ou plusieurs étapes de traitement à haute température ou si le dispositif est soumis à une irradiation aux rayons X ou au rayonnement ultra-violet. Sur la f#igure 3 on a également représenté une couche de substrat 21 et une couche isolante 23. On a également représen- té deux électrodes commandées 25a et 26a# telles que décrites ci-dessus. Une couche-diélectrique 29 est en contact avec les électrodes co#mmandées, ainsi qu'avec la couche isolante 23 dans la region située entre les électrodes commandées.L'épaisseur de cette couche 29 détermine, en conséquence, l'espacement entre l'électrode commandée 25a et une électrode flottante 25b et également l'espacement entre l'électrode flottante 25b et la couche diélectrique 23.Des épaisseurs typiques de la'couche diélectrique 29 sont comprises entre 500 et 5.000 , Sur la figure 3, on a également représenté schématiquement trois capacités Cl, C2 et C3.#La capacité Ci représente une capacité existant entre l'électrode commandée 25a et son électrode flottante coopérante 25b. La valeur de la capacité Ci dépend en grande partie de l'espacement entre les électrodes 25a et 25b et de l'importance du recouvrement des surfaces de ces électrodes. Des valeurs typiques de la capacité Cl sont comprises dans une plage allant de 3 x 107 Flcm2 et 6 x 10 9 F/cm2. Une autre capacité C2 est représentée entre l'électrode flottante 25b et l'électrode commandée adjacente suivante 26a.La capacité C2 est typiquement beaucoup plus faible que la capacité Ci, le recouvrement des surfaces de l'électrode flottante 25a et de l'électrode commandée 26a étant négligeable. Une troisième capacité C3 est schématiquement représentée comme existant entre l'électrode flottante 25b et la couche de substrat 21 qui sert de masse. En fonctionnement, une tension diphasée est appliquée aux électrodes commandées ?5a et 26a à la suite de quoi une tension correspondante est induite sur ltélectrode flottante 25b. La manière suivant laquelle une tension est établie sur l'électrode flottante 25b peut être facilement comprise en se référant à la figure 4, qùt représente les rapports entre les capacités C1, C2 et C3#.Sur la figure 4, on a représenté une tensions 0 1 de la première phase j i qui est appliquée à 1'électrode 25a de la figure 3. Une tension de la seconde phase# 0 2, désignéeV#2, est appliquée à l'élec- trode commandée 26a On peut constater , en considérant le circuit représenté sur la figure 4, qu'une tensionV#i1apparait sur l'électrode flottante 25b , la grandeur de Vmi' dépendant de la valeur des capacités C1, C2, et C3. Etant donné que Ci est beaucoup plus grande que C3 comme indiqué ci-dessus, la grandeur de la tension v 0 1 ~dépend presqu'entièrement des valeurs de V1, C1, et C2.Les grandeurs relatives des capacités Ci et C2 peuvent être réglées en réglant l'épaisseur de la couche diélectrique 29 et l'importance du recouvrement des surfaces de l'électrode commandée 25a et de 1'électrode flottante 25b. Typiquement, les valeurs des capacités Ci et C2 sont déterminées + telle sorte que le rapport entre les tensionsV f 1 et V ~ 1 est compris entre 0,1 et 0,9.La différence de tension entre V 0 1 et V ss i fournit l'épaulement de tension nécessaire pour empêcher que la charge revienne en arrière lorsque les phases de tension i 1 et f 2 sont interchangées pour transférer la charge de la région située au-dessous de la paire d'électrodes 25a, 25b à la région située au-dessous de la paire d'électrodes 26a, 26b. La figure 5 représente une vue de dessus des électrodes commandées 25a, 26a et 27a et des électrodes flottantes correspondantes 25b et 26b et 27b. Ces électrodes font partie d'un ensemble linéaire disposé sur une microplaquette dans laquelle la charge est transférée vers la gauche, comme indiqué par la flèche.On a également représenté sur la microplaquette trois électrodes commandées 31a, 33a et 35a et leurs électrodes flottantes 31b, 33b et 35b qui sont toutes incluses dans un autre ensemble linéaire dans le-quel la charge est transférée vers la droite comme indiqué p-ar la flèche. Les deux chaînes peuvent être interconnectées pour- former un ensemble de mémoire en zigzag sur une microplaque de semi-conducteur avec une très forte -densité étant donné qu'il ntest pas besoin d'attribuer un quelconque espace à des lignes électriques communes ou à des connexions pour les électrodes flottantes. La seule différence entre les deux ensembles linéaires décrits est que, aans l'un, chacune des électrodes flottantes recouvre 1'électrode commandée adjacente située à sa gauche tandis que, dans l'autre chaque électrode flottante recouvre l'électrode commandée adjacente située à sa droite. Un tel ensemble présente l'avantage supplémentaire d'une fabrication très simple. REVENDICATIONS 10) Dispositif semi-conducteur à transfert de charge comprenant un couche de substrat de matière semi-conductrice, une première couche isolante en une matière isolante disposée sur la couche de substrat, une première ensemble d'électrodes disposées sur la couche isolante et destinées à être connectées à une source de tension diphasée, une seconde couche isolante en une matière isolante disposée sur le premier ensemble d'électrodes et un second ensemble d'électrodes disposées sur la seconde couche isolante, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'une partie de chaque électrodes du second ensemble est positionnée en conjonction avec une partie d'une électrode coopérante du premier ensemble, les électrodes du second ensemble fonctionnant comme électrodes flottantes auxquelles aucune connexion électrique n'est effectuée. 20) Dispositif semi-conducteur à transfert de charge selon la revendication 1,caractérisé en ce que l'épaisseur de la seconde couche isolante et la surface de la partie précitée de chaque électrode du second ensemble sont déterminées de façon à établir un rapport prédéterminé entre une tension externe appliquée à une électrode du premiedensemble et une tension induite par elle sur ltélectrode coopérante du second ensemble. 50) Dispositif semi-conducteur à transfert de charge selon l'une des revendications i et:2, caractérisé en ce outil comporte une source de tension électrique diphasée interconnectée avec le premier ensemble d'électrodes, les phases alternées de la source de tension étant connectées aux électrodes alternées du premier ensemble. 4 ) dispositif semi-conducteur à transfert de charge selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière du substrat est choisie dans le groupe constitué par Si, GaAs et GaP. 5 ) Dispositif semi-conducteur à transfert de charge selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la matière isolante des première et seconde couches isolantes est choisie dans le groupe constitué par SiO2, Si3N4 et Al203.