Brevet FR2296270A1 — publié le 19760723

L'invention concerne un dispositif à transfert de charges. Les dispositifs à transfert de charges sont connus de l'art. Ce sont des dispositifs dans lesquels des charges liberes, porteusés du signal à transférer, se déplacent, de proche en proche, à la surface d'un substrat semi-conducteur dopé, sous une série d'électrodes, vers un collecteur par lequel, elles sont recueillies. Ce transfert s'effctue grâce aux zones de charge d'espace créées sur une certaine profondeur sous des électrodes par les porteurs t@@ libres du substrat, par commutation de ces électrodes sur des poten- tiels continus de valeurs convenablement choisies. Deux types principaux de ces dispoisitifs ont été décrits dans la littérature voir pour plus de précisions les articles "Charge Coupled Semiconductor Devices" - W.S. Boyle - G.E. Smith - Bell System Technical Journal Apr. 1970, pages 587 - 593 et "Bucket - Brigade Electronics ... " - F.L.J. Sangster, K. Teer, I.E.E.E. Journal Of Solid-State Circuits Vol. SC-4, No.3, June 1969, pages 131 - 136. Les dispositifs décrits dans ces deux articles sont respecti vement connus dans la littérature anglo-saronne sous les initiales CCD et BBD. Ils difèrent entre eux quant à leur structure et leur mode de fonctionnement, comme on le. yerra à la lecture de @@t, ces articles, le dispositif, objet sa structure, des dispositifs dits BBD. On rappellera à leur sujet que les charges porteuses du signal peuvent être soit dé signe opposé à å celui des porteurs libres du, substrat dopé, et dans ce cas elles sont minoritaires par rapport à ces dernières, soit du même signe que ces porteurs, et dans ce cas elles sont dites majoritaires, comme eux. La préférence irait volontiers à ce dernier cas dans les réalisations de dispositifs à transfert de charges, à structure BBD car le transfert par porteurs majoritaires conserve mieux le signal que celui par porteurs minoritaires. toutefois, dans ce dernier cas, il est nécessaire que les zones de charge d'espace en question présentent sur leur face inférieure, c'est-à-dire leur face opposée à celle située vis-à-vis de l'électrode, un bon isolement par rapport au substrat, si l'on veut éviter que les porteurs libres du substrat, de même signe que les charges porteuses du signal, ne viennent perturber celui-ci ; une zone isolante est donc nécessaire dans cette région, par exemple une couche d'un isolant électrique limitant la zone de charge d'espace sur cette face. La présente invention décrit une structure nouvelle à transfert de charges,8 charges porteuses du signal majoritaires,dans laquelle cette condition est réalisée. La structure de l'invention se rapproche, par sa constitutioxr, des dispositifs à transfert de charges du type BBD auxquels il a été fait référence ci-dessus. Elle s'en rapproche aussi par son fonctionnement, comme on le verrat selon lequel le transfert a lieu par passage des charges porteuses du signal d'une zone à une autre zone du substrat toutes deux également dopées, à travers une zone située entre elles et dopée différemment. Le matériau semi-conducteur, c'est-àire le substrat est prévu de faible épaisseur comme il va être indiqué ci-dessous. Plusieurs variantes de réalisation de l'invention seront décrites qui ont toutes en commun la faible épaisseur du substrat en question. Par contre le support du dispositif se présente de façon différente d'une variante à l'autre. Ces variantes ne sont pas limitatives de l'invention. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent - rig. 1 (a) une vue schématique d'un dispositif à transfert de charges de l'invention, - Pig. 1 (b) : un fragment en coupe schématique d'un dispositif à transfert de charges de l'art connu, - Pig. 2 : un diagramme se rapportant au dispositif de la figure 1(a) - Fig. 3 (a) : la coupe d'un frayent d'un dispositif de l'invention - Fig. 3 (b) : un schéma équivalent au dispositif de la figure 3 (a). D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description. La structure de l'invention prévoit un support distinct du substrat lui-m,me et échappant donc aux conditions imposées à celuici ; ceci laisse une grande latitude quant au choix du matériau constitutif de ce support, verre, métal isolant ... et à ses cotes il est en particulier possible de choisir des supports conférant à l'ensemble une robustesse beaucoup plus grande que celle des dispotifs de l'art antérieur. Dans une variante, l'utilisation de silicium polycristallin pour constituer le substrat permet par ailleurs une plus grande souplesse de réalisation que dans le cas de lingots de silicium monocristallin et en particulier des dimensions plus grandes. La figure 1 (a) représente un dispositif à transfert de charges de l'invention. Cette figure est une vue en coupe schématique par un plan perpendiculaire au substrat suivant la direction de transfert 01. On décrira d'abord la structure du dispositif et on donnera ensuite brièvement, pour fixer les idées,un ensemble des moyens possibles à mettre en oeuvre pour l'obtenir ; ces moyens relèvent de technologies connues. sur le dessin de la figure 1 (a), on distingue un support 1 dans l'exemple de la figure, ce support est métallique ; il pourrait entre en un matériau différent, verre, céramique .... Ce matériau est cependant soumis à la condition dire réfractaire pour supporter les températures élevées atteintes au cours de la préparation du dispositif. Une couche, qui, sur la figure, est repérée '2, en un matériau isolant de l'électricité, recouvre ce support sur l'une de ses faces. La couche 2 est elle-même recouverte d'une couche 3 en un matériau semi-conducteur déposé à l'état polycristallin. La couche 3 constitue le substrat du dispositif, formé de zones jointives alternées, fortement (N +) 30 (croix) et faiblement (N) 32 (sans hachures) dopées. les premières sont dites zones de stockage et les secondes zones de transfert. Dans l'exemple, le substrat consiste en du silicium dopé N au phosphore à 1016 porteurs libres par centimètre cube 'dans lequel ont été diffusées les zones 30 dopées à environ 1020 porteurs libres par centimètre cube.Une couche 4 en un matériau électriquement isolant, représente sans hachures pour la clarté du dessin, recouvre le substrat 3 a dessus de la zone 3?' . 1)es électrodes conductrices 5 recouvrent les couches 4 en matière isolantç.Ces électrodes et les zones fortement dopées 30 sont elles-mêmes recouvertes par une couche continue 6 d'un matériau isolant électriquement, sans hachures elle non plus Enfin, des électrodes 7 recouvrent la couche 5 au dessus des zones fortement dopées 30 et débordent sur la partie de cette ooodhe recou- vrant les électrodes 5 comme le montre le dessin.Sur la figure Vel f h 2 2 V01 et V02 désignent les potentiels appliqués au cours s2 du processus de transfert par l'intermédiaire des connexions sans repères ; le potentiel de référence est celui du support 1, à la masse. Les zones 30 et 32 sont alignées dans la direction da transfert. Aux deux extrémités de la figure sont schématisées l'entrée et la sortie du dispositif que lton a représentées pour fixer les idées, m a i e qui ne diffèrent pas de celles de l'art connu. le signal d'entrée,électrique,est appliqué à une électrode , sans rqpbre, en contact avec une zone fortement dopée 30 ; Ve est la tension de cette électrode. Une disposition analogue est prévue à la sortie du dispositif , comme le montre la figure ; la tension de sortie est indiquée en V5 . Le dispositif de l'invention est utilisable aussi avec d'autres signaux que des signaux électriques, photonique par exemple, dans les conditions connues-de l'art. La préparation de la structure décrite ci-dessus a lieu suivant les technologies connues, comme indiqué brièvement ci-dessous à titre d'exemple. Sur un substrat métallique réfractaire 1 est réalisé un dépôt il de silice pyrolytique - (couche 2)-d'une épaisseur de ijuni environ, par exemple par décomposition de silane (SiH4). Sur cette couche est ensuite déposée, par évaporation sous vide, une couche de silicium polycristallin dopé au phosphore à tu16, comme indiqué plus haut et d'une épaisseur de 1 micromètre environ, du même ordre que la précédente. Dépôt et dopage du silicium ont lieu en meme temps par évaporation simultanée du silicium et du matériau de dopage. Cette couche constitue le substrat 3-. Sur le sous-ensemble 1, 2, 3, ainsi formé sont ensuite réalisés par les techniques connues de dopage, gravure et dépôt sous vide les réseaux d'électrode (5) et (7r et les isolementa nécessaires (épaisseur-2 à 3000 A)-, tels que décrit plus haut. A noter que suivant ces techniques les couches 4 sont ogtenues psr oxydation du substrat de silicium 3 et les électrodes conductrices 5 par dopage très fort() 10223 du même silicium, en particulier. Dans le dispositif de l'invention, dont un exemple de réalisation a été décrit ci-dessus,le transfert du signal s'opère comme il va etre maintenant précisé. On notera d'abord que, vu la faible épaisseur des zones faible ment dopées 32, égale à celle du substrat 3,réalisable lui même avec une faible épaisseur par dépôt du matériau polycristallin sur le support t revêtu de la couche 2, il est possible de réaliser les conditions de charge d'espace sur la totalité de la profondeur de chacune de ces- zones, jusqu'à la couche 2, par application de potentiels convenables sur l'électrode métallique 5 correspondante ce potentiel est négatif et ceux appliqués aux électrodes (7) positif ou nul, comme on le précisera, dans le cas du substrat de silicium dopé au phosphore de l'exemple. Les zones 32 peuvent donc être vidées sur toute leur hauteur de leurs électrons libres par application de ces tensions aux électrodes 5 ; elles sont dans ces conditions des zones complètement désertées par leurs porteurs libres C'est C'est ce qui est réalisé dans un premier temps de fonctionne- ment du dispositif. Dans un deuxième temps, l'électrode 5 est portée à un potentiel positif ; ce potentiel est par exemple intermédiaire entre celui moins élevé, de l'électrode 7 immédiatement à sa gauche et celui plus élevé, de l'électrode-7 immédiatement à sa droite. Les électrons du signal,que l'on suppose avoir atteint de proche en proche une zone fortement dopée 30,par exemple celle située à l'extrémité gauche du fragment central de la fig. 1, se déplacent de la zone 30 de gauche vers la zone 30 suivante située à sa droite dont elle est séparée par une zone 32 ; la zone 30 de gauche Joue le rôle de source et celle de droite celui-de drain du transistor MOS réalisé, analogue à celui d'une structure BBD dont un feragement est représenté sur la fig. 1 (b) Sur cette figure 10, lI et 12 désignent des zones dopées N + diffusées dans le substrat P, portant le repère 15. 15 est une couche isolante , 14, 15 et 16 des électrodes de commande des transistors MOS,dont l'un a 10 et il pour source et drain respectivement, lorsqu'une tension convenable V1 est appliquée à l'électrode-15.0n sait que ces zones 10, Il et 12 jouent alternativement chacune le rôle de source puis de drain lors du fonctionnement du dispositif, suivant les valeurs des tensions V1 et V2 (voir 2eme article cité) Ainsi se trouve réalisé,au bout de ce deuxième temps de fonctionnement,le transfert du signal de la zone de stockage 30 fortement dopée à gauche de la figure à la zone 30 suivante, à travers la zone de transfert 32 faiblement dopée située entre elles.(Figure ta) . Le diagramme de la figure 2 donne un exemple des valeurs des tensions Vsî et Vs2 , V et V02 appliquées aux électrodes 5 et 7,et l'ordre dans lequel elles sont appliquées. Dans l'exemple du diagramme le potentiel positif appliqué aux électrodes 5 est égal à celui appliqué aux électrodes 7 immédiatement à leur droite le raisonnement précédent reste valable ; Va et vb sont de l'ordre de 10 et 5 volts respectivement. Le fonctionnement du dispositif de l'invention est à rapprocher de celui des dispositifs BBD (voir 2e article cité), en ce sens que le transfert s'opère en vident une zone 30 au profit de la suivante à travers la zone 32 située entre elles. Il en diffère cependant par le fait quefdans les dispositifs de l'invention,la zone intermédiaire 32 est rendue conductrice par accukulation,lors de l'application de la tension Va ,alors que ,dans les dispositifs BBD, cette zone intermédiaire est la couche d'inversion créée dans le canal du transistor MOS entre la source et le drain. Dans les dispositifs de l'invention cette inversion est évitée en choisissant la tension v Vb appliquée aux électrodes 5 de façon à permettre de vider complètement les zones 32 de leurs porteurs libres,sans les mettre en inversion , c'est d dire en évitant l'accumulation de trous à leur surface en contact avec l'isolant 4. La réduction de l'épaisseur des zones de transfert 32 à une va leur -1/umdans l'exemple de réalisation décrit - très inférieure à celle des dispositifs BBD connus n'est pas préjudiciable à ce transfert qui s'effectue, dans les dispositifs de l'invention comme dans les dispositifs RRn en question, on surface, à l'interface entre les zones 32 et la couche d'isolant 4 qui les recouvre sur leur face supérieure. Les transistors NOS sont dans ce cas des transistors en couche mince. Par contre, la limitation da fond de ces zones à la couche d'isolant 2 évite, dans les dispositifs de l'invention, le courant de fuite vers le reste du substrat, comme c'est le cas dans les BBD connus, et rend possible des temps de stockage plus longs, principal avantage de la structure de l'invention par rapport à- l'art antérieur. Le structure de l'invention élimine pratiquement par ailleurs les capacités parasites qui limitent habituellement la dynamique du dispositif. On a représenté sur la figure 3 (b) ce que pourrait être le schéma équivalent d'un étage de transfert du dispositif de l'invention, dont la figure 3 (a) représente le fragment correspondant. Sur cette figure C désigne la capacité des zones de stockage 30 et Co les capacités par rapport au substrat,au niveau de ces zones Vso et VDr désignent les tensions aux bornes des capacités Co, pour la source et le drain, c'est à dire respectivement pour les zones 30 de gauche et de droite. Dans les dispositifs de l'invention on réalise facilement C très supérieur à CO, grâce à l'isolement par la couche 2, ce qui réduit fortement l'influence des capacités parasites CO . Le schéma du transistor NOS en couche mince correspondant à cet étape occupe le centre de la figure 3 (b). Une tension de signal ve., inférieure à la différence entre la tension Va définie plus haut et la tension vT correspondant au seuil de conduction du transistor MOS, est conservée en mémoire dans un zone de stockage 30 , tant que la tension appliquée à l'électrode 5 est maintenue à la valeur - b précédente,sans risque de fuite appréciable. Bans l'exemple de la figure 3(a)le support 1 est prévu non plus en métal mais en matériau isolant, du siliciut -polycristallin par eta, déposé en couche épaisse sur une plaquette de silicium monocristallin, préalablement oxydée sur sa face destinée à recevoir le silicium polycristallins Celui-ci constitue le support I du dispositif, tandis que le silicium monocristallin en constitue le substrat 3. Placée sur ce support la plaquette de silicium mono cristallin peut entre rodée jusqu'à une épaisseur très faible de l'ordre de 3/u c'est à dire de la profondeur des dopages réalisables. Le reste de la préparation sur la face libre du monocristal est la même que dans le cas précédent. On retrouve alors avec cette structure,comme avec celle de la figure 1,l'avantage de zones de charge d'espace limités sur leur face inférieure par la couche isolante résultant de cette oxydation y c'est-à-dire d'après ce qui précède , un temps de mémoire amélioré. Sur la figure 3(a) 8 représente l'électrode utilisée pour la mise à la masse du substrat . Un substrat conducteur, comme celui de l'exemple de la figure 1, permet une très grande proximité entre 'organe de lecture ou d'adressage et le dispositif lui-mme. Par contre, la réalisation du substrat à l'aide d'un monocristal, comme dans l'exemple de la-figure 3 (a)- , permet comme on sait un meilleur contrôle du dopage des zones de transfert, une meilleure reproductibilité,ainsi qu'une mobilité des charges porteuses du signal plus grande. Le monocristal de silicium de la variante de la figure 3 (a) peut entre obtenu par épitaxie sur un support de corindon, A12 03. REVENDICATIONS 1. Dispositif à transfert de charges pour le transfert d'un signal par déplacement de porteurs libres de son substrat, carac- térisé en ce qu'il comporte sur un support (1) , revalu d'une couche (2) en un matériau isolant de l'électricité, un substrat semi-conducteur (3) présentant des zones jointives alternées fortement (30) et faiblement (32) dopées à l'aide du mme matériau dopant, s'étendant sur toute sa profondeur et alignées dans la direction OX dudit transfert des électrodes recouvrant chacune desdites zones, (7) et (5) respectivement, isolées entre elles et isolées des zones qu'elles recouvrent par des revêtements isolants, (6) et (4) respectivement recouvrant lesdites zones, en ce qu'il comporte en outre des moyens pour appliquer le signal à transférer audit dispositif et des moyens pour recueillir le signal transféré à l'extrémité dudit alignement, des moyens pour commuter le potentiel par rapport au substrat des deux ensembles, formés par une partie desdites électrodes (7) et par les autres électrodes (7) régulièrement alternées avec les précédentes, entre deux valeurs inégales de même signe, et des moyens pour commuter le potentiel par rapport audit substrat des deux autres ensembles, formés par une partie desdites électrodes (5) et par les autres électrodes (5) régulièrement alternées avec les précédentes, entre deux valeurs, l'une de signe contraire aux précédentes et l'autre de même signe que les précédentes et supérieure en valeur absolue à celle du potentiel de l'électrode (7) située immédiatement derrière dans la direction OX, et inférieure ou égale en valeur absolue à celle du potentiel de l'électrode (7) située immédiatement devant dans la direction OX, 2.Dispositif à transfert de charges suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat (3) est fait de silicium polycristallin, en ce que ledit matériau dopant est le phosphore, et en ce que lesdites zones fortement dopées (30) présenter une densité de porteurs libres sensiblement égale à 1020 par cm3, et lesdites zones faiblement dopées (32) une densité sensiblement de 1016 porteurs libres par cm3. 3. Dispositifs à transfert de charges suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les deux dites valeurs de potentiel inégales sont O et + 10 volts, ladite valeur de signe contraire - 10 volts et ladite valeur de même signe + 10 volts. 4. Dispositif à transfert de charges suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit revêtement isolant (4) est fait ? de parties séparées dont les dimensions sont limitées ,pour chacune d'elles celles de la zone (32) et de ltélectrode (5) entre lesquelles elle est placée, en ce que ledit revêtement isolant (6) consiste en une couche continue recouvrant les zones (30) et les électrodes (5),et en ce que lesdites électrodes (7) débordent sur la partie de ladite couche continue qui recouvre lesdites électrodes (5). 5. Dispositif à transfert de charges suivant la revendication t, caractérisé en ce que ledit support est-fait de métal. 6. Dispositif à transfert de charges selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support-est fait de silicium et ledit substrat d'un monocristal de silicium. 7. Dispositif à transfert de charges selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dit substrat est un monocristal de silicium et le dit support fait de corindon.