Brevet FR2206590A1 — publié le 19740607

La présente invention concerne un circuit de transfert de charges intégré constitué par une chatne de transistors à effet de champ à grille isolée dans laquelle la région de source de chaque transistor est combinée avec la région de drain du transistor précédent Un transistor à effet de champ à grille isolée ayant une caractéristique de saturation ohmique a été décrit dans la demande de brevet français déposée le 12 Décembre 1973 sous le n 73 36465 au nom de la Société Demanderesse pour : "Transistor nMétal-Isolant Semiconducteur" à caractéristique de saturation linéaire. Son principe consiste à appliquer une tension auxiliaire AU à Itélectrode de commande (grille) parallèlement au canal, de façon que la grille soit parcourue par un courant parallèle au courant de canal.En conséquence, la courbe de variation du courant de saturation en fonction de la tension appliquée à la première borne de grille est linéaire. Le principe de fabrication d'un tel transistor peut entre utilisé pour réaliser une chatne de transfert de charges perfectionnée. La transadmittance plus élevée des transistors à effet de champ à grille isolée conformes à la demande de brevet précitée, qui tend vers la valeur constante (1 ) gm quand on stapproche de la tension de seuil, permet de les utiliser dans des circuits de transfert de charges de types conventionnels pour obtenir une recharge plus rapide des capacités de la chatne de transfert, donc une réduction considérable de l'amortissement. La présente invention concerne un circuit de transfert de charges comprenant une channe de transistors à effet de champ à grille isolée dans laquelle la zone de source dtun transistor est combinée à la zone du drain du transistor précédent pour former une zone continue de conductivité 2 (canal p) ou de conductivité n (canal n) insérée dans un ceté de la surface dtun substrat semiconducteur recouvert d'une couche isolante, chaque transistor à effet de champ comprenant, sur ltélectrode de commande, une borne de grille à laquelle sont appliquées des impulsions dthorloge d'amplitude Uc Une telle channe de transfert de charges intégrée est décrite dans les revues techniques "ElectronicsX du 28 Février 1972, pages 62 à 77 et "IEEE Transactions on Electron Devices", ED-18, NO 11 de Novembre 1971, pages 996 à 1003. Dans une chatne de transfert de ce type, la présente invention a pour objet de réduire l'affaiblissement du signal de commande traversant la channe de transfert de charges. Ce problème est résolu par lXinvention par le fait que les électrodes de grille des transistors à effet de champ constituant la channe de transfert sont réalisées à partir d'une couche résistive continue, et qu#une partie de ltamplitude des impulsions d'horloge est utilisée comme tension auxiliaire de grille en parallèle avec le courant de canal de chacun des transistors. Ceci est réalisé de préférence par le fait que les bornes de grille sont disposées sur la couche résistive au-dessus des zones actives des transistors. Naturellement, il est également possible d'utiliser directement le transistor à effet de champ à grille isolée conforme à la demande de brevet précitée, c'est-à-dire équipé d'une borne de grille supplémentaire pour fournir le courant de grille. Dans ce cas cependant, une surface relativement plus grande est nécessaire pour les bornes de grille, et la capacité de recouvrement de la zone de grille et de la zone de source ne peut être minimisée de la manière désirée. En conséquence, la réduction d'atténuation désirée se retrouve presque totalement perdue. De plus, deux sources de tension devant fournir le faible courant de grille pour chacune des deux phases d'impulsions dthorloge sont nécessaires ; ou un circuit auxiliaire correspondant équipé de deux mémoires capacitives doit être prévu comme source de courant.Ces inconvénients et difficultés pouvant exister lorsque le principe conforme à la demande de brevet précitée est utilisé pour réaliser une channe de transfert de charges réellement conventionnelle sont évités ou éliminés dans la chatne de transfert de charges de L'invention en raison de sa construction très simple et très perfectionnée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent - la figure 1, une vue en coupe d'une channe de transfert de charges de type courant - - la figure 2, le schéma équivalent de la chatne de transfert de charges connue - la figure 3, une vue en coupe d'un type préférentiel de réalisation d'une chatne de transfert de charges conforme à l'invention ;; - la figure 4, les conditions de potentiel existant le long de la couche résistive déposée sur la surface du corps semiconducteur de la channe de transfert de charges conforme à la figure 3 - les figures 5 à 8, des vues en coupe prises perpendiculairement par rapport à la surface d'un substrat de semiconducteur servant à expliquer une méthode de fabrication d'une chatne de transfert de charges conforme à l'invention. Dans la channe de transfert de charges, représentée sur la figure 3, la tension auxiliaire de grille AU est produite comme une fraction de l'amplitude des impulsions d'horloge UC par un courant circulant d'une phase ~ ou ~ de la tension d'horloge a l'autre phase. Sur la figure 4, on voit que la chute de tension sur la longueur du canal L est (2) #U = UC . L , L+s L + s indiquant l'espace entre deux bornes de grille adjacentes 1. Ces bornes de grille 1 ont la largeur Q. Afin d'obtenir le perfectionnement désiré de l'amortisse- ment à hautes fréquences, la résistance de couche Ss de la couche de grille à forte résistance ne peut pas entre trop élevée, afin de sauvegarder une charge suffisamment rapide de la grille. D'autre part, pour avoir des petits courants et une faible perte par dissipation dans la grille, elle doit aussi nitre pas trop petite. La gamme préférentielle est environ 0,1 M#/# 2 M nZ a M#/# = Mn par carré. En ce qui concerne la vue en coupe prise dans trois étages d'une channe de transfert de charges représentée sur la figure 3, avec L = = s, la figure 4 représente la caractéristique de potentiel Concernant la couche résistive de grille 2 à un moment où les transistors Tî et T3 de même que tous les transistors à numéro impair sont bloqués. Les transistors à numéro pair et le transistor T2 sont, pour cette phase, dans ltétat conducteur, tant que le potentiel de source associe US contient une information sous la forme d'une différence de potentiel (3) Smax S Le courant traversant le transistor T2 et la charge ainsi effectuée de la capacité CgS du côté source starretent dès que US assume la valeur de sorte que v a atteint v = o. En raison de la période finie T de la tension d'horloge à une fréquence f 3 1/T, cet état n'est pas atteint complètement. En fait, sur le c#té source reste un potentiel résiduel (5) Ve = USmaX -USe dès que la moitié d'une période d'horloge T/2 s1 est écoulée.Un amortissement maximum de l'amplitude du signal hv apparatt lors de la variation du potentiel du signal v avec la moitié de la fréquence d'horloge 4 #/2. En ce qui concerne un étage individuel (N i) l'amortissement devient alors Dans une channe de transfert de charges connue telle que celle de la figure 1, on obtient ce qui suit concernant l2amortis- sement d'étage maximum dans lequel indique la mobilité de canal et L la longueur du canal. v indique la capacité de commande maximum La relation vo (7d) #o = Vomax indique la position du point de fonctionnement.De plus, est la "longueur" effective de la capacité de charge C sur le gs c8té source. #k indique la longueur effective canal-capacité. Selon la figure t, s indique l'espace entre électrodes adjacentes, et #U indique la longueur de recouvrement du plus petit des deux recouvrements de l'électrode de grille t sur les deux zones adjacentes 4. cox, cj, et cjk indiquent les capacités d'oxyde et de jonctions. Ce qui suit s'applique à la capacité de charge sur le c#té source avec Cr = Cu + Ckox = Wcox . (#u + #k) Ckj = W#kcjk . En ce qui concerne l2amortissement d'étage d'une chatne de transfert de charges à transistors à effet de champ conforme à 12 invention (figure 3) on obtient ce qui suit et De cette manière, on obtient pour un amortissement maximum, des valeurs essentiellement plus petites que celles indiquées selon (7). De plus, dans une première approximation, l'amortissement devient indépendant de uo, c'est-à-dire indépendant de la position du point de fonctionnement. La channe de transfert de charges décrite ci-avant, lorsqu#elle est comparée avec le type usuel, peut fonctionner avec une tension d'horloge plus faible et avec un amortissement simultanément plus faible. Les figures 5 et 8 représentent les phases de fabrication essentielles d'une chatne de transfert de charges-conforme à la figure 3. La première consiste à former dans un substrat de silicium 5, par la méthode de diffusion planar bien connue, des zones 4 conformes à celles de la figure 5. Au cours de cette phase, l'alignement des bornes métalliques de grille 3 de longueur Q, sur le bord correspondant au cdté drain des zones de diffusion planar semble ne pas être particulièrement critique. Avec une structure conforme à L = t = s = 10 pm il est possible, sans plus de difficultés, d'admettre des tolérances de réglage normales de + 2,5 pm. L'électrode de grille de résistivité élevée 2 peut être constituée par un revêtement polycristallin conforme à celui de la figure 7, après avoir produit selon une des méthodes connues l'oxyde de grille 6 (figure 6), avec un matériau semiconducteur faiblement dopé, tel que le silicium. Cependant, on devrait veiller à utiliser le mtme type de dopant (n ou ) que celui existant dans le aibstrat 5 de la chatne de transfert de charges, c'est-à-dire du type n dans le cas de transistors à canal 2 (avec substrat n) et de type p dans le cas de transistors à canal n (et substrat ). De cette manière, on permet que pendant la charge de la capacité de grille, une couche d'enrichissement soit formée sur la jonction avec ltoxyde de grille 6 et non une couche d'appauvrissement. Cette dernière, dans le cas de 8 = 50 nom nécessite une zone de charge dtespace beaucoup plus grande que l'épaisseur de couche disponible. En conséquence, il n'existe pas de conductivité pour sauvegarder la charge et la décharge de l'électrode de grille à une vitesse suffisante. La couche de concentration des porteurs de charge formée pendant la phase de commande dans ltélectrode de grille réalisée comme une couche de grande résistivité 9 et le nombre total ainsi augmenté des porteurs, conduisent à une augmentation de la conductance de couche et, en conséquence, à une entrée de puissance accrue dans la couche d'électrode de grille. Si cet effet doit etre évité, la couche ne peut pas changer de façon sensible sa conductance d'origine en dépit de la charge capacitive à la jonction avec ltoxyde de grille 6. Le nombre de porteurs de charge n dans une telle couche, comme dans le métal, devrait être suffisamment élevée pour que le nombre de porteurs de charge dans la couche de concentration reste négligeable. D'autre part, la mobilité p doit etre suffisamment petite pour que, par rapport à la conductivité a = qn on obtienne une valeur qui, pour une épaisseur de couche d allant de 0,1 à t pm, fournit une conductance de couche #s = 1 = qn .d #s. dans la gamme de 0,5 à 10 (M n cm)-1 . On ne connait pas un matériau conducteur homogène ayant de telles propriétés. L'invention permet d'obtenir les propriétés désirées étant donné que des petites insertions, de métal'finement réparti, sont incorporées dans un matériau à haute résistivité. il suffit que les insertions de métal ne se trouvent que dans le voisinage indirect de ltoxyde de grille. Lorsqu'on utilise comme matériau de grille un semiconducteur à forte résistivité du type de conductivité tendant à ltappauvrissement dans la phase de commande, les insertions de létal font fortement écran au matériau semiconducteur et prennent elles-m#mes la majorité de la charge capacitive. Dans le cas 'due transistors à canal p, il est souhaitable d'utiliser la technique suivante pour fabriquer ltélectrode de grille à forte résistance. On évapore, sur ltoxyde de grille, une couche de métal encore incohérente (par exemple, de l'aluminium) n1 ayant une épaisseur que de quelques angströms. Du silicium polycristallin à forte résistance dopé au bore d'une épaisseur d'environ 025 m est déposé ou évaporé sur cette couche. Dans le cas de transistors à canal n, il est souhaitable d'utiliser du silicium dopé au phosphore. Pour les insertions de métal, il est également possible d'utiliser de ltor, de l'argent, du platine, du molybdène, ou tout autre métal. Pour le meme nombre d'étages, les avantages de l'invention résident en une bande passante plus grande ou, dans le cas d'une bande passante inchangée, en la possibilité de réaliser un plus grand nombre dtétages et, en conséquence, de prévoir de plus longs délais que ceux qui seraient.possibles au moyen du type conventionnel de chatne de transfert de charges. Il est bien évident que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent entre envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit de transfert de charges intégré comprenant une channe de transistors à effet de champ à grille isolée dans laquelle la zone de source d'un transistor est combinée avec la zone de drain du transistor précédent pour former une zone continue de conductivité 2 (canal p) ou une zone de conductivité n (canal n) sur une surface d'un substrat semiconducteur recouvert d'une couche isolante, chaque transistor à effet de champ comprenant, sur son électrode de commande (grille), une borne de grille à laquelle sont appliquées des impulsions d'horloge d'amplitude déterminée, caractérisé par le fait que les électrodes de commande desdits transistors sont réalisées à partir d'une couche résistive continue, et qu'une partie de l'amplitude des impulsions d'horloge est utilisée comme tension auxiliaire de grille en parallèle avec le courant de canal de chacun des transistors à effet de champ. 2. Circuit de transfert de charges conforme à la première revendication, caractérisé par le fait que les bornes de grille sont disposées sur ladite couche résistive au-dessus du c#té drain desdites zones combinées des transistors. 3. Circuit de transfert de charges conforme à la deuxième revendications caractérisé par le fait que la couche résistive de grille a une résistance oscillant entre 0,1 et 2 MQ par carré. 4. Circuit de transfert de charges conforme à la deuxième ou à la troisième revendications caractérisé par le fait que la couche résistive de grille se compose d'un silicium polycristallin faiblement dopé. 5. Circuit de transfert de charges conforme à la quatrième revendication, caractérisé par le fait que la couche résistive de grille a le mdme type de conductivité que le substrat semiconducteur. 6. Circuit de transfert de charges conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que la couche résistive de grille comprend de petites insertions de métal finement réparties ne se trouvant que dans le voisinage indirect de l'oxyde de grille. 7 Circuit de transfert de charges conforme aux revendications 4 et 6 caractérisé par le fait que le type de conductivité de la couche#résistive de grille est opposé à celui du substrat.