Brevet FR2214173A1 — publié le 19740809

L'invention se rapporte aux dispositifs semiconducteurs à transfert de charges appelés aussi dispositifs à charges couplés s ( .D : charge coupled devices de la littérature anglo-saxonne) utilisés comme structure de base pour des mémoires électroniques et des panneaux photosensibles d'appareils de prise de vue. Il s'agit de structures du type 1,tout à l'état solide" comportant un substrat semiconducteur portant des rangées d'électrodes isolées dudit substrat. En appliquant des potentiels convenables à ces électrodes, on crée au sein du substrat un registre à décalage dont chaque élément correspond à une électrode déterminée.Un transfert de charges a lieu entre les éléments du registre à la réception des signaux électriques périodiques émis par une horloge à plusieurs sorties, les signaux reçus par deux éléments contigus de la rangée d'électrodes provenant de sorties distinctes de l'horloge et étant décalés dans le temps d'une fraction 1/n de la période T des signaux. On dit que le dispositif à transfert de charges est à n phases. L'un des problèmes posés-par la réalisation de ces dispositifs, est celui de la réduction du nombre de phases. Pour préciser les données du problème, il est nécessaire d'exposer, au moins brièvement, le principe du stockage d'une information sous forme d'une quantité de charges et le mécanisme du transfert de charges. Un substrat semiconducteur est dopé de manière à présenter une conductivité, par exemple de type N-, et recouvert d'une rangée d'électrodes isolées entre elles et séparées du substrat qu'elles recouvrent par une mince- couche d'isolant. Un potentiel uniforme de départ (V1) est appliqué aux électrodes pour neutraliser les charges éventuellement présentes dans la couche isolante et créer, dans le substrat, une première zone d'appauvrissement (depletion zone de la littérature anglo-saxonne). A ce potentiel V1 sur une électrode choisie au hasard dans la rangée, on substitue un potentiel de stockage d'information V2 d'un ordre de grandeur bien supérieur, par exemple - 10 volts pour un potentiel Va de Tordre du volt.Ce potentiel V2, négatif dans le cas du dopage N, serait positif dans le cas du dopage P. On créé ainsi, sous l'électrode considérée un puits de capture de charges qui n'est autre qu'une deuxième zone d'appauvrissement beaucoup plus profonde que la première. les charges qui peuvent être stockées dans ce puits sont celles des porteurs minoritaires (des "trous" dans le cas d'un subi strat dopé N). En pratique, les charges représentant l'information, d'une manière logique (quantité fixe) ou analogique (quantité variable) seront soit injectées par une jonction P-N placée à l'entrée de la structure, soit créées au sein même du substrat par effet photo électrique. Le transfert de charge d'une électrode à la suivante, par exemple de gauche à droite, est opéré par application à l'électrode voisine placée immédiatement à droite de l'électrode considérée, d'un potentiel de transfert de charge V3, par exemple de - 20 volts dans le cas d'un potentiel V2 de - 10 volts. Il se produit alors un deuxième "puits" analogue au premier, mais plus profond sous l'électrode de droite et un déplacement des charges (trous dans l'exemple considéré) du premier vers le deuxième puits. le mécanisme de transfert se répète pas à pas comme dans un registre à décalage-. Il suffit pour cela qu'à chaque pas de l'horloge, trois potentiels différents : Vl, V2, V3 soient communiquée à trois barres omnibus reliées de trois en trois aux électrodes d'une même rangée. Iha période de récurrence d'un état déterminé des trois barres est de trois pas d'horloge. On dit que celle-ci est à trois phases. On a cherché à réduire de trois à deux le nombre de phases en vue de simplifier et d'alléger le dispositif. Pour obtenir ce résultat, il faut introduire dans la configuration géométrique du système constitué par la première et la deuxième zones dlappauvris- sement, une dissymétrie qui peut être mise à pro' fit, lors du déplacement de gauche a' droite de la configuration des potentiels, pour favoriser le transfert dans le même sens en interdisant le sens contraire, des charges à transfèrer.Si l'on considère les divers facteurs intervenant dans la formation du potentiel de surface dans le semiconducteur, en ltabsence de porteurs de charges libres, à savoir - V1 : le potentiel appelé (ci-avant) potentiel de départ,égal à la tension à appliquer aux électrodes pour que le champ électrique sof nul dans le semiconducteur ; on sait que ce potentiel dépend des charges présentes dans l'oxyde ; - V : le potentiel appliqué à l'électrode sous laquelle on créé le puits de potentiel - q : la charge de l'électron - Nd : la concentration en impuretés, par exemple de type donneur dans un semiconducteur de type N - es et eO : les permettivités respectives du substrat et de l'isolant par exemple, oxyde de silicium) - x0 : l'épaisseur de la couche d'isolant. On a la relation connue V = V1 + (2qNdesPs) x0 + Ps (i) e0 On a proposé de crééer une dissymétrie en agissant sur l'ápaisseur de la couche d'isolant sous l'électrode considérée.On voit en effet, en examinant la relation (1) quesi l'on augmente localement xo, par exemple dans la partie gauche de la -surface située sous l'électrodé considérée, sans modifier les autres facteurs de la relation, on aura une augmentation du terme en xO et, par suite de la constance des termes V et V1, une diminution corrélative du potentiel de surface Psv Cette solution a l'inconvénient de compliquer la fabrication de la couche d'isolant et par conséquent de rendre plus couveuse la production des dispositifs. On a également proposé de créer une dissymétrie de Nd, en modifiant la concentration en impuretés par exemple dans la partie gauche de la surface considérée. On pourrait alors songer à opérer wze diffusion d'impuretés supplémentaires à travers les fenêtres d'un masque approprié. Mais, en raison de la faible dimension de ces fenêtres, et des écartements de celles-ci, (quelques microns), les sones diffusées tendraient à-se rejoindre sous le masque et le résultat obtenu serait trop imprécis. On devrait donc recourir à la technique de l'implantation d'ions, ce qui présente l'inconvénient d'alourdir les processus de fabrication des dispositifs. L'invention fournit une solution exempte de ces inconvénients. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparattront, au moyen de la description qui suit et des dessins annexés parmi lesquels les figures 1 et 2 sont des croquis expliquant la disposition et le fonctionnement d'une structure connue de dispositif à trois phases les figures 3, 4 et 5 sont des coupes schématiques d'une portion de dispositif selon l'invention, à des étapes successives de fabrication la figure 6 est un croquis explicatif du fonctionnement du dispositif selon l'invention. Dans les différentes figures, les mêmes repères désignent des constituants identiques. Figures 1 et 2, on a représenté une portion d'un dispositif connu à trois phases, portion obtenue en découpant un substrat 11 suivant quatre plans deux à deux perpendiculaires entre eux et per- pendiculaires à dèux grandes faces du substrat, notamment à celle qui supporte, par l'intermédiaire d'une couche isolante 12, les électrodes E1, E2, E3, appartenant à une même rangée. le substrat 1 est, par exemple, en silicium dopé N et la couche 12 est constituée par de l'oxyde Six,. les électrodes sont en aluminium.Dans un premier stade de fonctionnement, correspondant au stockage de l'information, on applique aux électrodes 21 E2 et E3 respectivement les potentiels V1 et V2 étant les potentiels défi- nis ci-avant, dont on a mis en évidence, par cette notation, qu'ils sont négatifs dans l'exemple choisi. V2 est très supérieur à V1, par exemple 10 volts pour 1 à 2 volts dans l'exemple choisi ; on aura donc une zone d'appauvrissement (depletion zone) 112 sous llé- lectrode E2, beaucoup plus profonde que les zones analogues 111 et 112 qui l'encadrent. Dans le "puits de potentiel constitué par la zone 112, on peut stocker des charges + sous forme de trous, par une des méthodes indiquées ci-avant. Dans un deuxième stade, correspondant au transfert de charges, on applique aux électrodes E1 et E2, les mêmes potentiels que dans le premier stade et à l'électrode BD, le potentiel - V3, V3 étant le potentiel ci-avant, soit -20 volts dans l'exemple choisi. Ce potentiel V3 créé une zone d'appauvrissement 213 plus profonde, que la zone 112 et provoque la migration des charges stockées sous l'électrode 2 vers la zone 213. le mécanisme de transfert ne s'ar rete pas, en fait à l'électrode E3 ; il se poursuit jusqu'à l'ex- trémité de la rangée ou éventuellement dans une rangée sup-lémen- taire, de recueil, pour être dans le champ d'action du système de lecture faisant partie de la mémoire ou de la caméra. Dans le cas de l'invention, le processus de fabrication d'un dispositif à deux phases comporte par exemple les étapes suivantes décrites dans le cas du silicium N employé comme substrat a) Etapes classiques de fabrication d'un substrat de silicium dopé N, recouvert d'une couche de silice de l'ordre de 800 à 1500 angstrUms b) Traitement du produit obtenu à l'issue des étapes précédentes par un gaz neutre comportant de la vapeur d'eau à une pression partielle de 30 à 50 tors, à une température de 1000 C à 2000 C pendant 10 à 20 minutes ; -ce traitement crée des pièges à électrons par diffusion de H20 dans la silice. c) Dépôt d'une couche d'aluminium épaisse de 0,6 à 1 micron par exemple par évaporation sous vide et découpage de cette bande, par photolithographie, en bandes de largeur a séparées par des intervalles de largeur d-a, d étant le "pas" de la rangée d' élec- trodes. On a par exemple d = 6 à 10 microns a = 2 à 4 microns On obtient ainsi le système représenté en coupe figure 3, où l'on voit des dépôts d'aluminium 31, 32, etc... de pas d, sur la couche 12 de silice d) Dépôt d'une couche 40, très mince (de l'ordre de ,00 ang stromas) sur l'ensemble des bandes d'aluminium et des intervalles qui les séparent, par exemple par évaporation sous vide e) Traitement du dispositif par un rayonnement ultraviolet, la couche 40 étant polarisée négativement (quelques volts) pendant 5 à 30 minutes selon l'intensité du rayonnement ultraviolet. Au cours de cette étape, il se produit une émission d'électrons par effet photoélectrique dans l'aluminium de la couche 40 ; cette émission charge négativement les pièges existant dans la couche 12 à la suite du traitement de l'étape (a) ; on a représenté, figure 4, le dispositif de la figure 3, muni de la couche 40 et soumis à des radiations ultraviolettes 41, d'où résulte la capture d'électrons par les pièges 42 ; ces pièges ne capturent d'électrons qu'en dehors des zones situées en dessous des dépôts:31, 32 etc... qui ont arrêté les radiations ultraviolettes par suite de leur épaisseur considérable en comparaison de celle de la couche 40 f) Découpage de la couche 40 par exemple par photolithographie, en bandes séparées par des intervalles très rapprochés et placés de façon dissymétrique ; ceci est illustré par la figure 5 où des intervalles 51, 52, etc... de 1 à 2 microns de largeur séparent des électrodes E1, E22 etc..., l'intervalle 51 étant beaucoup plus près du dépôt 31 que du dépôt 32 et la situationétant semblable pour les intervalles 52 et suivants ; la dissymétrie en surface s'accompagne d'une dissymétrie en profondeur puisque l'on a vu que les électrons fixes 42 n' existent pas sous les dépôts 31, 32, etc... g) Finition du dispositif, en particulier pose de connexions 9'1 E2 (figure 6) soudées par exemple sur les parties saillantes correspondant aux dépôts 31, 32, etc... et dépôt d'une couche de protection, par exemple de nitrure de silicium à basse température, afin d'éviter une disparition des pièges chargés en présence de vapeur d'eau. En vue de faciliter l'exposition du fonctionnement du dispositifs on a représenté figure 6, les zones d'appauvrissement obtenues en appliquant aux connexions K1 et K2 des potentiels respectifs les zones d'appauvrissemenD comportent des limites lnférietres d'inégales profondeurs 60t et 611 pour l'électrode 21 502 et 612 pour l'électrode E2.Ces limites vont en descendant lorsque l'on se déplace de la gauche vers la droite? ) explique facilement cette configuration en considérant l'égalité (1). Pour un potentiel d'électrode donné, V, la valeur du terme V1 est fonction du nombre de charges présentes dans l'o#:yde g en particulier, si l'on a des charges prisonnières qui sont du terme signe que V, la valeur absolue de V1 sera plus faible et la valeur absolue du terme P5 sera, par compensation, plus forte, en vertu de la relation (1). Par suite de cette dissymétrie des puits de potentiel, on voit que l'on peut obtenir un fonctionnement correct avec deux phases au lieu de trois. En effet - dans une-première phase, on stocke 1' information sous une électrode, E par exemple, en lui appliquant un potentiel de stockage VA suffisant pour créer un puits de potentiel capable de stock un nombre prédéterminé de charges - dans une deuxième phase, on transfère l'information, c'està-dire les charges stockées sous l'électrode El, vers la droite, c!est-à-dire vers l'électrode E2 en appliquant à eelle-ci un potentiel de transfert V3 choisi de telle sorte que la limite 602 de la zone d'appauvrissement soit plus profonde que la limite 611 de la zone située à gauche de celle-ci. On voit facilement que les charges stockées sous l'électrode E1 se déverseront dans le puits de potentiel de l'électrode E2, et cela sans pouvoir aller dans le sens interdit, clest-à-dire vers la gauche, en raison de la barrière de potentiel 601. Dans une première variante de l'invention, on peut utiliser du silicium dopé P. le processus de fabrication diffère alors du cas du dopage N par le fait que le traitement par l'ultraviolet de l'étape (e) doit etre fait de telle sorte que les pièges chargés se trouvent sous les bandes épaisses. Cette particularité exige 1'e.a- ploi d'un nouveau masque qui est la réplique en négatif du masque de photolithographie utilisé pour former les bandes épaisses. Parmi les avantages de l'invention, on signalera tout d'abord que la formation des électrodes semi-transparentes peut être faite avec le même masque que s'il n'y avait pas le dépôt préalable des bandes épaisses. Ensuite les intervalles entre électrodes étant aménagés dans la couche mince d'aluminium, leur découpage par photolithographie bénéficie d'une meilleure précision que dans le cas d'une couche épaisse. Enfin, le système de connexions entre électrodes et sorties de l'horloge est simplifié, notamment par la possibilité, en deux phases, d'éviter les croisements d'intercon- nexions, inévitables dans le cas de trois phases. L'invention est applicable aux appareils de prise de vue par caméra électronique, notamment aux caméras dont le plan focal comporte par exemple, une mosaïque d'éléments semiconducteurs. Elles''applique également aux appareils de transmission d'images ligne par ligne, du type "fac-similé". Dans le domaine de l!inforinatique, elle peut être utilisée comme mémoire circulante ou ligne à retard mais aussi pour constituer tout type de# mémoire à accès séquentiel- ou sériel. R E -V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif semiconducteur à transfert de charges, commandé par une horloge à deux phases, compremhnt au moins un substrat semiconducteur dopé de façon à présenter une conductivité N ou P, au moins une couche d'isolant sur l'une des grandes faces dudit substrat et, sur ledit isolant, au moins une rangée d'électrodes reliées par un système de connexions aux -sorties de l'horloge, caractérisé en ce que, sous ladite rangée, ladite couche isolante possède des charges électriques fixes quel que soit le potentiel desdites électrodes, lesdites charges ayant une concentration non uniforme lorsque l'on se déplace le long d'une coupe transversale pratiquée dans ladite rangée et dans ledit substrat, les maximums et les minimums de concentration étant distribués de telle sorte que, sous chaque électrode la répartition des charges soit dissymétrique. 2. Dispositif selon la revendication i, caractérisé en ce que chacune des électrodes de ladite rangée comporte une partie épaisse, de ltordre de quelques containes d'angstrôms au moins, et, de part et d'autre- de ladite partie épaisse, une première et une deuxième parties semi-transparentes d'épaisseur ne dépassant pas une centaine d'angströms, la première partie semi-transparente étant beaucoup moins large que la deuxième ou vice-versa. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat est en silicium dopé N ou P, la couche isolante étant en silice et les électrodes étant métalliques. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, le semiconducteur étant dopé N, l'isolant est de la silice traitée préalablement de façon à présenter des pièges à électrons, et les électrodes sont en aluminium. 5. Procédé de fabrication d'un dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes ci-après - traitement du substrat recouvert d'isolant par la vapeur d'eau sous pression partielle (30 à 50 torrs) à une température de 1000 à 2000 C - dépot d'une couche métallique sur ledit isolant - irradiation aux rayons ultraviolets, à travers un masque possédant des fenêtrés laissant passer lesdits rayons aux er:Wl & e- ment s qui correspondent aux maximums de concentration desdites charges électriques fixes à créer par lesdits rayons - découpage, par photolithographie, desdites électrodes. 6. Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte, après l'étape de traitement du substrat recouvert d'isolant par la vapeur d'eau, une étape supplémentaire comme suit - formation de bandes métalliques destinées à forme t des parties épaisses d'électrodes, par dépôt d'une couche mé- tallique uniforme que l'on découpe par des moyens photolithographiques. 7. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que ledit substrat est du silicium, ledit isolant est de la silice et ladite couche métallique est constituée par de l'aluminium.