Brevet FR2293062A1 — publié le 19760625

la présente invention concerte un composant à transfert de charges et plus généralement un composant à transfert et à stockage d'informations tel qu'un composant semi-conducteur monolithique, susceptible de stocker et de transférer en séquence des charges électriques correspondant à une information. Les dispositifs du type cidessus sont souvent appelés "composants bucket-brigade". Ger- tains types originaux de tels composants ont été décrits d'abord an 1970 à la Conférence Internationale des circuits état solide par P.L.J. Sangster du Philips Research laboratory. Ils sont également décrits dans le brevet U.S. 3.621.283. Le concept général d'un tel composant appelé en abrégé composant B.B.D.", est décrit dans l'article de 18 Revue "Technique Philips" tome At, 1970, n0 4, pages 98-110 et intitulé "the 'bucket-bridage delay line", a shitt register for analogue signais". Dens cet article, le concept sous-3acent du composant B.B.D. a été décrit en mentionnant que le principe d'un tel registre était très simple. Des valeurs échantillonnées d'un signal analogique sont stockées sous la forme de charges dans une série de condensateurs.Entre chacun de ces condensateurs de stockage, il y a une sorte de "commuta teur " qui laisse passer les charges d'un condensateur au condensateur suivant, en étant commandés par une impulsion d'horloge. Comme chaque condensateur de stockage ne peut recevoir la nouvelle charge avant que la charge ancienne ne soit sortie du condensateur, seulement la moitié des condensateure contiennent ou transportent les informations et les condensateurs intermédiaires sont vides. Le composant B.B.D. est utilisé comme registre de décalage, comme mémoire ou comme détecteur d'image fabriqué sur une plaquette ou sur un chip semi-conduc- teur. L'art antérieur de base des composants B.B.D. est représenté aux figures 1A-1E et à la figure 2 des dessins. la figure tA montre en coupe schématique une forme connue de composants BIB.D, . Ce composant est formé d'un corps semi-conducteur 1 en silicium à conductivité de type n à concentration en impureté relativement faible par exemple 1015 atomes/cm3 et un ensemble de régions de stockage de charge 2a, 2b, 2c, 2d à conductivité de type p+ à for-te concentration en impureté, correspondant à 102 atomes/cmw réalisées à la surface principale la du substrat de silicium 1. Une couche isolante 3 par exemple en bioxyde de silicium (SIO2) est prévue sur la surface principale la. Un ensemble d'électro- des de cette 3a, 3b, 3c, 3d sont prévues sur la couche isolante 3 et recouvrent la région entre chaque région de stockage de charge et la partie adjacente de la région de stockage directement suivante. L'une de ces électrodes peut être considérée comme électrode de gâchette d'un transistor à effet de champ à cette isolée ÇIGFET). Un conducteur 4 est relié à chaque seconde électrode 3a, 3c etc et un conducteur 5 est relié à chaque seconde électrode intermédiaire 3b, 3d etc.En cours de fonctionnement, les impulsions d'horloge #1 et sont appliquées alternativement aux conducteurs 4 et 5 et les charges du signal sont stockées et sont transmises entre les régions de stockage de charge 2a, 2b, 2c successivement, comme porteurs majoritaires. Les figures 13 ... lE représentent l'état de transfert des charges d'un signal à l'aide du diagramme de tension de surface du composant B.B.D. de la figure 1A. En particulier à la figure 1B, 1 est une impulsion à une tension V (appelée ci-après état passant de 1) et est appliqué comme tension de substrat (appelée ci-après état coupé de A la figure 10, 1 est appliqué comme tension de substrat (état ouvert de 1) et 2 est également ouvert. A la figure 1B, 1 est ouvert et 2 est pulsé à la tension V# (2 est à l'état fermé).A la figure 1E, 1 et 2 sont coupés. Les charges du signal sont transférées de la gauche vers la droite dans les dessins en appliquant la tension V# et la tension de substrat à 1 et 2 en alternance. Dans une telle structure comme celle de 1' exemple de la figure 1, la quantité de charges transmises est déterminée par le potentiel(V-Vte). V# est la tension de l'horloge et Vte est sensiblement la tension de seuil de la partie de canal 6.Le diagramme de tension des figures 13 ... 1E est la tension de surface de la partie de canal qui se trouve sous l'électrode à laquelle est appliquée la tension d'horloge et qui correspond à (V-Vte) à l'état idéal représenté aux figures 1B et 1D, mais qui est en fait la tension de surface de la partie de canal (V -Vte) qui passe de apte' ou ssVte" comme représenté à la figure 2. La raison de ce changement dépend de la quantité de charges stockées dans la vallée de la région de stockage de charges.Ce phénomène est appelé phénomène de modulation de drain. La modulation de drain entrain un transfert incomplet et irrégulier des charges du signal. La raison de ce transfert incomplet et irrégulier est que la quantité de charges du signal varie comme résultant du niveau de transfert vers 1 étage directement suivant, car la tension de la première région de stockage de charge est la tension à laquelle les porteurs minoritaires peuvent exister à la fin du transfert. Ce phéromène est à l'origine de la réduction de fidélité du transfert des signaux. La présente invention a pour but de créer un composant amélioré pour le stockage et le transfert d'informations ainsi que pour améliorer le rendement du transfert de l'information à l'aide de ce composant. Selon l'invention, la concentration en impureté de la région de stockage de charge;rst choisie de façon que le potentiel de la région de stockage de charge soit inférieur au potentiel de la région de canal. Il en résulte que toutes les charges du signal sont transférées à la dernière région de charges,si bien qu'il n'y a pas d'effet de modulation de drain. La présente invention sera dé- crite de façon plus détaillée à titre d'exemple à l'aide des dessins annexés s - la figure 1A est une coupe transversale schématique d'un mode de réalisation de composant B.B.D. selon l'art antérieur. - les figures 1B-13 représentent schématiquement le fonctionnement du composant de la figure lA, à l'aide des tensions d'horloge. - la figure 2 est un schéma expliquant le phénomène de modulation de drain du composant 3.3.1?. connu. - la figure 3 & est une coupe transversale schématique d'un composant de transfert de charge selon la présente invention. - les figures 3n ... 3E représentent schématiquement le fonctionnement du composant de la figure 33 suivant les tensions d'horloge qui sont appliquées. La description des figures 1A ... 1E ne sera pas reprise puisqu'elle a été faite précédemment et on passera directement à la description des figures 3A 3E. La figure 3A représente un composant à transfert de charge selon la présente invention. Comme représenté, on a un semi-conducteur 10 tel que du silicium de type N ayant une concentration en impureté de i o1 5atc mes/cm3 et un ensemble de régions de stockage de charges11a, lib, lic, 11d à conductivité de type p et à concentration relativement faible, d'une amplitude de 1017 atomes/cm3, dans la surface principale 10a du corps 10 t ces régions sont formées par diffusion. La profondeur Xj des régions de diffusion est de l'ordre d'environ 4000 Angstroms.Une couche isolante 13 par exemple en bioxyde de silicium (silice SiO2) d'une épais-7 seur d'environ 1100 Angstroms ( ) est prévue sur la surface principale 10a.Un ensemble d'électrodes de gachette 12a, 12b 12c, 12d est prévu sur la couche isolante 13 entre chaque région de stockage de charges,de sorte que l'une des électrodes est prévue d'une partie d'extrémité de la région de stockage de charge précédente 11a à la partie comme ensemble de la région de stockage de chargebsuivante llb.(exemple). Les électrodes forment une structure MOS multiple.Deux conducteurs 14 et 15 sont reliés alternativement aux électrodes successives c'est-à-dire que le conducteur 14 est relié aux électrodes 12a 12c et le conducteur 15 est relié aux électrodes 12b, 12d ; les impulsions d'horloge 1 et 2 sont appliquées respectivement aux conducteurs 14 et 15. Le composant selon l'invention utilise SiO2 comme couche isolante 13. La tension de claquage de la couche isolante SiO2 dépend de l'épaisseur de cette couche. Dans un tel composant à transfert de charges B.B.D., l'épaia- seur de la couche de silice SiO2 est géneralement de l'ordre de 1000 à 2000 , de sorte que la tension de claquage de cette couche est d'environ 100V. C'est pourquoi, la tension d'horloge doit étre inférieure à 100V. Lorsque par exemple 1 est pas sant et P2 coupé, à savoir #1 correspond à une impulsion de tension V par rapport à la tension du substrat et 2 est à la tension du substrat, la concentration en impureté des régions de stockage de charges est choisie de façon que les tensions de surface des régions de stockage de charges 11d sous les électrodes recevant la tension de substrat, soient au niveau supérieur (V#-Vte) de la partie de canal 16 représentée à la figure 3B. En conséquence, les régions de stockage de charges llb et lld s'appauvrissent.Les figures 3C et 3E représentent les impulsions d'horloge #1 et 2 comme étant coupées. La figure 3d représente l'horloge #1 coupée et l'horloge 2 fermée. Dans ce montage, la concentration en impureté de la région de stockage de charges est relativement faible, de sorte qu'à la fin du transfert, les régions de stockage de charge sous les électrodes auxquelles est appliquée la tension de substrat, sont complétement vides. Ainsi comme représenté aux figures 3B et 3D, si la tension des régions de canal 16b, 16d est égale au niveau (V-Vte) ou infé- rieure à ce niveau, les tensions des régions de stockage de chargoella et 113 sont au-dessus du niveau (V*-Vte). C'est pourquoi, toutes les charges du signal sont transférées de la région précédente lia ou lic à la région suivante llb ou laid. On évite ainsi que la variation de transfert de charges de signaux dépende de la quantité de charges dans la région de stockage de charge suivante. Lors de l'appauvrissement de la région de stockage-de charges,il faut tenir compte de deux facteurs. L'un des facteurs est Xd qui correspond à la largeur de la couche d'appauvrissement s'étendant en partant de la surface, à la tension d'horloge. l'autre facteur est Xdj qui représente la largeur de la couche d'appauvrissement allant de la jonction entre la région de stockage de charges et le substrat. C'est pourquoi, pour appauvrir et évacuer la région de stockage de charges Xj qui est la somme de Xd et Xdj doit être la profondeur de la région de stockage de charge. Co = Ksio2 @0/tox En résolvant l'équation (3) en VD, on obtient la relation approchée suivante Dans cette relation q : la charge d'un électron (1,60 x lu 19 coulomb) ; Ksi constante diélectrique relative du silicium (12) constante diélectrique du vide (8,85 x 1014F/cm) NA :concentration des porteurs dans la région de stockage de charges; ND :concentration des porteurs dans le substrat :tension intégrée entre la région de stockage de chargoeet le substrat (0,6V) Vfb : tension de la bande plane Ksio2:constante diélectrique de la silice SiO2 (4) tox :épaisseur de la couche de silice S02 VD :tension de surface de la région de stockage de charges La tension de surface de la région de canal #DS est donnée par la relation suivante #D V V 1 B #@ 3@@ /V V)1@ 1# (5) B = ESio . q. e tox Ksio2 Co = Ksi02.@o/tox dans cette relation VG est la tension appliquée. La tension de surface des par ties de canal #DS résulte de la comparaison avec la tension VD. Si la condition VD C'est pourquoi les paramètres VG, Xj, NA et ND sont choisis de façon à satisfaire la condition ci-dessus. Il faut tenir compte de deux éléments. En premier lieu pour le mode de transfert, la tension de surface de la région de stockage de charges est supérieure à la tension de surface de la partie de canal ; en second lieu, la région de stockage de chargesqui correspond à l'horloge coupée est complètement vidée à la fin du mode transfert. EXEMPLES : Les exemples suivants correspondent à des valeurs déterminées des paramètres pour satisfaire à la condition VD Avec les valeurs suivantes s VG = Xj = 1,0 , NA = 1020 cm-3, et ND = 2 x 1015 cm-3, on obtient pour VD et #DS les valeurs suivantes : VD = 7,5 x 106 V, = = 11,9 V C'est pourquoi, ces résultats ne satisfont pas à l'inégalité [VD] Exemple 2 t Partant des valeurs suivantes : = - 15 V, Xj = 0,4 /u, N = 1 x 1017 cm- ; ND = 2 x 1015 cm- on obtient pour VD et #DS les valeurs suivantes : VD = - 7,02 V, #DS = 11,9 V. Ces résusltats satisfont à l'inégalité [VD] Exemple 3 Partant des valeurs VG = - 70 V, Xj = 0,4 , NA = 5 x 1017 cm- , N, = 2 x 1015 cm- . on obtient pour VD et #DS les valeurs suivantes : VG = 51,2 V, #DS = - 61,44 V. Dans ce cas, on a également un transfert total des charges puisque l'inégalité [VD] Exemple 4 : Partant des valeurs s VG = - 50V, Xj = 0,4 , NA = 5 x 1017 cm- , ND = 2 x 1015 cm- , on obtient pour VD et #DS les valeurs susivantes VD = 51,2V, #DS = -42,87V. Avec ces valeurs, l'inégalité VD On a constaté que 5 est supérieur à 0,5 micron lorsqu'on utilise la silice SiO2 comme couche isolante, donnant une limite supérieure d'horloge de 100V ; c'est pourquoi, il est difficile de vider complètement la ré- gion de stockage de charges. Âvec une concentration de porteurs dans la région de stockage supérieure à 1018 cm 5 vacua- tion complète est difficile. Il est important de ce fait que la valeur de NA soit inférieure à 1018 cm-3 3 et que X soit inférieur à 0,5 micron et de préférence 0,4 micron. Ia tension de claquage de la couche isolante de silice SiO2 d'une épaisseur de 1000 2000 A est d'environ 100V ; c'est pourquoi, la valeur de VG doit outre inférieure à -1OOV. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDiCATiONS 10) Composant à transfert de charges comportant un substrat semi-conducteur d'un certain type de conductivité comportant un ensemble de régions de stockage de charges, localisées de façon espacée, et situées sur la surface principale du substrat, une couche diélectrique recouvrant la surface principale et les régions de stockage de charges,un ensemble d'électrodes conductrices, localisées, sur la couche diélectrique, chaque électrode correspondant à une région de stockage de charges respective de façon que chaque électrode recouvre l'espace entre deux régions de stockage de charges ainsi qu'une partie d'une région de stockage de charges de deux régions de stockage de charges, les électrodes recevant deux tensions d'horloge alternées, appliquées successivement à l'une des électrodes, ces tensions d'horloge étant suffisantes pour commander le transfert des charges du signal, d'une région de charge à la région de charge suivante, suivait la surface du substrat, composant caractérisé en ce que les régions de stockage de charge contiennent une certaine quantité d'impuretés de dopage, suffisante pour assurer l'appauvrissse- ment complet des charges du signal dans les régions de stockage de charge correspondantes å la fin du mode de transfert. 20) Composant selon la revendication 1 caractérisé en ce que la concentration en impureté de dopage est inférieure à 1018 cl 3. 30) Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la profondeur des régions de stockage de charges et la quantité d'impuretés de dopage sont suffisantes pour entraîner l'appauvrissement (évacuation) complet des charges du signal à la fin du mode transfert. 40) Composant selon la revendication 3, caractérisé en ce que la profondeur des régions de stockage de charges est inférieure à 0,5 micron. 50) Composant selon la revendication 4, caractérisé en ce que la profondeur des régions de stockage de chargesest égale à 0,4 micron.