Brevet FR2296242A1 — publié le 19760723

La présente invention concerne un dipositif image à mémoire ou cible à mémoire, susceptible d'analyser et de mémoriser une igge h deux dimensions et des tubes image comportant une telle cible. Elle concerne plus particulièrement une cible à mémoire réalisée à partir d'une mosaïque de capacités métal-isolant-semieonduc teur, habituellement appelées capacités MIS, et par exemple des capacités métal-oxyde-semiconducteur, ou capacités MOS. Les tubes image comportant les cibles de l'invention sont utilisables dans les applications habituelle-a des tubes de prise de vue à mémoire. Ils peuvent notamment servir à la conversion d'images optiques en signaux électriques dans des tubes de' prise de vue à mémoire de longue durée ; ils peuvent encore servir, dans des dispositifs de traitement du signal, à transformer une image optique en image électrique mémorisée, la mémorisation étant obtenue sans entretien d'image. De tubes image ayant de telles fonctions existent dans l'art antérieur sous de nombreuses formes. 1eplus classiques sont les tubes vidicon utilisant des cibles photosensibles à mémoire. D'autres plus récents, utilisent des cibles constituées de mosaïque de diodps photosensibles polarisées en inverse, diodes semiconductrices- par exemple. L'utilisation du silicium pour réaliser des cibles de tubes image à mémoire est particulièrement intéressante. En effet, le silicium présente une grande photosensibilité pour des épaisseurs de quelques microns et peut servir de cible multiblicatrice de photoélectrons, Cependant les cibles silicium à mosaïque de diedes présentent de graves inconvénients liés à leur difficulté de fabrication. Elles n'ont en outre qu'un temps de mémoire réduit, ( Les cibles de l'invention utilisant le silicium comme élément photosensible présentent les avantages inhérents à ce matériau ; par coatre, leurs mosaïques de capacités MIS sont beau@oup plus faciles à réaliser que les mosaïques de photodiodes et ne présentent pas les défauts de ces dernières. Un dispositif image à mémoire selon l'invention, s@sceptible d'analyseur et de garder en mémoire une image optique ou.électrooptique à deux dimensions, est constitué d'une mosaïque de capacités NIS discrètes réalisées sur un même substrat semiconducteur dopé de type N ; l'image à mémoriser frappe la surface du substrat-opposée à celle supportant les capacités. Les zones entourant et séparant les capacités présentent des propriétés d'interface semiconducteur- isolant différentes de celles des capacités MIS quant au seuil dtin- version grâce à des traitements convenables.Ces zones présentent un seuil d'inversion supérieur à celui des capacités si bien que lorsqu'un faisceau d'électrons balaie la mosaïque de capacités, portant la surface qu'il frappe à un potentiel négatif par rapport au substrat, les capacités présentent une couche d'inversion où se mémoriseront les porteurs minoritaires caractéristi.ques des surfaces élémentaires correspondantes d'image, tandis que les zones les entourant ne présentant pas de couche d'invention, ne participent pas à la mémorisation et délimitent matériellement les capacités MIS qui constituent autant de mémoires élémentaires discrètes. Les traitements susceptibles de provoquer ces différences deseuil d'inversion entre les capacités et les zones les entourant sont classiques en eus-memes ;. ils peuvent consister par exemple à introduire des charges positives liées à l'interface siliciumisolant des zones entourant le-s capacités;à introduire des chargés négatives liées a' l'interface des capacités,,, etc.. L'inscription qui peut être soit celle d'une image-- optique, soit celle d'une image électro-optique produite par une photocathode par exemple, se fait en balayant la mosaSque de capacités par un faisceau d'électrons. La lecture se fait soit en,même temps que I'inscnption par le courant de faisceau du canon à électrons par exemple, soit après un temps mémoire choisi, en balayant à nou- veau la mosaïque par le faisceau d'électrons et eq lisant en.core le courant de faisceau : dans ce dernier cas la lecture est destructive. L'invention concerne également les tubes image comportant des cibles réalisées à l'aide de tels dispositifs. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue schématique en coupe d'un dispositif image conforme à l'invention - la figure 2, une vue schématique en coupe d'un tube image conforme à l'invention - les figures 3,4 et 5, des courbes expliquant le fonctionnement des dispositifs image de l'invention. La fulgure 1 représente schématiquement une vue en coupe d'un dispositif image de l'invention ; les différents éléments n'y sont bien entendu pas représentés à l'échelle. Le substrat 1 est une plaquette de semi-conducteur de type N, silicium par exemple, amincie dans la partie servant de cible à une épaisseur de quelques microns tandis qu'une collerette plus épaisse est conservée à la périphérie de la cible pour la supporter. Ce substrat 1 est recouvert sur une de ses grandes faces d'une mince couche d'isolant 2 ; il s-!agit ici, conformément à la technique MOS d'une couche d'oxyde d? silicium Si 02 obtenue par oxydation du substrat par exemple.Des ilôts discrets 3 d'un matériau conducteur de l'électricité sont disposés sur cette couche d'oxyde ; ces plots ou plots- conducteurs sont par exemple obtenus par dépôt et photogravure d'une couche d'un métal réfractaire tel que par exemple du silicium polycristallin, du molybdène, du tungstène, etc... Chaque plot 3 définit ainsi, avec les parties d'oxyde et de silicium sous-jacentes, une capacité MOS qui, comme expliqué plus loin, constituera une mémoire élémentaire. La face du substrat supportant cette mosaïque de capacités sera, dans un tube image utilisant une telle cible figure 2 par eiemplè, -- soumise à un balayage électronique servant aux inscriptions et aux lectures. L'autre face est destinée à recevoir l'image à analyser, cette image étant soit une image optique, comme ctest le cas pour le tube de la figure 2, soit une image électro-optique fournie par exemple par une photocathode placée entre l'image optique-à analyser et la cible de l'invention. Cette face recevant l'image comporte avantageusement une couche 4 d'une diffusion de type N plus concentrée en impuretés que le substrat 1 de manière à obtenir un bon rendement quantique en photodétection. Pour que les capacités MOS constituant la mosalque de mémoires élémentaires soient convenablement délimitées et que les informai tions que contient chacune d'elle n'aillent pas se mélanger avec celles des capacités voisines, ce qui se traduirait par une perte du pouvoir de résolution de la cible, les cibles de l'invention sont traitées de manière que les propriétés dtinterface semiconducteur-isolant,ici silicium-silice, soient différentes dans les régions délimitées par les plots 3, c'est-à-dire participant aux capacités, et dans les zones les entourant. Ces différences de propriété concernent le seuil d'inversion de l'interface qui, dans les cibles de l'invention,-est plus grand dans les zones entourant les capacités que dans les régions définies par ces capacités. Cette.notion de seuil d'inversion est une notion bien connue en elle-même dans la technique MOS et peut être brièvement résumée comme suit. Si l'on applique entre le substrat et l'électrode métallique d'une capacité MOS, une tension de polarisation de signe tel.qu'el- le repousse les porteurs majoritaires du substrat, créant une charge d'espace dépeuplée en porteurs majoritaires ("depletion zone" en terminologie anglaise), et si cette tension dépasse une valeur prédéterminée appelée "tension de seuil d inversion", il se crée à l'interface silice-silicium une couche d'inversion susceptible de stocker ds porteurs minoritaires du substrat. - Ce seuil d'inversion est, bien entendu fonction-des paramètres de la capacité MOS concernée ; il dépend notamment de la valeur de la capacité de l'oxyde par unité de surface, de I'épaisseur d'oxyde, du dopage du silicium, de la quantité de charges électriques pigées dans l'oxyde à-lBinterface silice-silicium. I1 est donc clair qu'en jouant sur l'un ou l'autre de ces paramètres on peut faire varier le seuil d'inversion. Dans les cibles de l'invention, les régions participant aux capacités et les zones les entourant sont traitées différemment de manière que, lorsqu'une même tension est appliquée entre le substrat et les plots 3 d'une part, et le substrat et les zones où l'oxyde est à nu d'autre part, les régions sous les plots soient au-delà de leur seuil d'inversion, la couche d'inversion servant de mémoire étant présente tandis que les zones les entourant soient en deçà de leur seuil d'inversion et n'aient pas de couche d'inversion. Dans ces cibles, le substrat étant du silicium de type N, les porteurs majoritaires sont des électrons et la tension à appliquer aux bornes des capacités MOS doit rendre la surface de la mosaSque négative par rapport au substrat. Cette tension est obtenue par un faisceau d'électrons balayant la surface de la mosaïque et délivré par un canon à-électrons dont la cathode est polarisée négativement par rapport au substrat 1. l'es électrons apportés par ce faisceau chargent, tant les plots 3 que la surface libre d'oxyde des zones entourant les plots, et portent ces surfaces au potentiel de la cathode, c1est à dire à un potentiel négatif par rapport au substrat. Les traitements susceptibles de différencier les seuils d'inversion des capacités et des zones les entourant pour que le potentiel négatif ainsi engendré par le faisceau d'électrons soit respective- ment au-delà et en-deçà des seuils d'inversion sont choisis par exemple parmi l'un des traitements suivants, classiques en eux-memes et effectués après que les plots conducteurs 3, aient été réalisés. Ce peut entre une illumination aux rayons ultra-violet permettant d'introduire des charges positives liées à l'interface silicium-sili- ce ; ces charges ne sont pas introduites sous les parties masquées par les plots, c'est à dire dans les régions correspondant aux capacités S.-Un tel traitement est par exemple décrit dans un article de, R.J POWELL et C.N BERGLUND intitulé "Photoinjection Studies of charge Distribution in oxides of MOS structures" et paru dans la revuQ, JÔurnalof- Applied Physics" volume 42 N 11 d'Octobre 1971. Ce peut être une injection de charges négatives liées sous les plots 3 ; cette injection peut être obtenue par une avalanche à l'interface silicium-silice. Un tel traitement est par exemple décrit dans un article de E.M.NICOLLIAN et C.N.BERGIUND intitulé "Electrochemical charging of thermal Si 02 films by injected electron currents" et paru dans la revue "Journal of Applied Physics" - volume 42 N03 de décembre 1971. Ce peut être aussi un traitement thermique approprié, sous at- mosphère d'oxygène par exemple, introduisant des ions positifs liés dans la silice, l'effet de ce traitement étant nul sous les parties masquées par les plots métalliques 3. Ce peut être encore une implantation d'ions donneurs dans le silicium ou dans la silice, le métal des plots 3 servant de masque à l'implantation. Il est entendu que tous ces traitements ne sont donnés qu'à titre d'exemple et que toute cible ayant des propriétés d'interface différenciées comme décrit ci-dessus, et ce quel que soit le traitement ayant donné lieu à cette différenciation, entre dans 1 'inven- tion. 'la figure 2, représente schématiquement un.tube image conforme à l'invention ; seuls y sont représentés les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention. Ces éléments, disposés dans une enveloppe étanche 5 sous vide sont : une cible conforme à celle de la figure 1 schématiquement représentëe par son substrat 1 ; un canon à électrons schématiquement représenté par sa cathode E et par une électrode de commande X, délivrant un faisceau d'électrons F qui, accéléré, focalisé et dévié par des moyens non représentés, balaie la mosaïque de capacités NOS. la cible reçoit sur son autre face, à travers l'enveloppe transparente, l'image optique d'un objet 6 à travers un dispositif optique convenable. Une tension continue Vc polarise le substrat 1 de la cible positivement par rapport à la cathode qui est par exemple à la masse. Le fonctionnement d'un dispositif image conforme à l'invention va maintenant être décrit à l'aide des figures 3 à 5 qui représentent trois étapes successives de l'inscription et de la lecture Cl'une image. On a schématiquement représenté sur chacune de ces trois figures : dans leur partie supérieure, une vue en coupe d'une partie de cible ; dans leur partie inférieure des courbes de potentiel correspondantes. La figure 3 correspond à un premier temps où le faisceau d'électrons venant de la cathode K balaie la mosaEque de capacités. Les traitements décrits plus haut sont symbolisés ici par des ions positifs liés + représentés dans la couche d'oxyde 2, dans les zones d'oxyde à nu. Le substrat 1 étant porté à + Vc par rapport à la cathode, les électrons staccumulent à la surface de la mosaïque, donnant naissance sur chaque plot 3 à une charge négative Q1, et dans le substrat 1 se trouvant sous chaque plot 3 à une charge d'espace dépeuplée en électrons. Lafrontière de cette charge d'espace est représentée par la ligne en trait discontinu 10. Cette charge d'espace est pratiquement inexistante sous les parties d'oxydelà nu grâce aux ions +, les électrons apportés par le faisceau s'équilibrant avec ces ions ; seules les parties d'interface S silicium-silice correspondant aux capacités présentent une charge d'espace. la courbe Vs=f (x) de la figure 3- indique les valeurs du potentiel à l'interface S, le potentiel de cathode.servant de référence. Tandis que le potentiel d'interface des zones d'oxyde à nu est pratiquement celui du substrat +Vc, le potentiel dtinterface des capacités, Vsi est pratiquement nul ; en d'autres termes et selon une terminologie classique maintenant dans la-technique MUS, des puits de potentiel apparaissent sous les plots 3. Ces puits de potentiel se traduisent par une chute de potentiel # Si dans les régions d'interface des capacités MOS, chute de potentiel qui rend ces régions négatives par rapport aux zones les entourant. La figure 4 représente les modifications de charges sur la cible et les valeurs correspondantes des potentiels d'interface Vs lorsqu'une image frappe la cible. Pour faciliter la compréhension on suppose ici que deux capacités MOS sur cinq reçoivent une infor mation lumineuse, sous forme de photons par exemple. Les photons frappant le substrat 1 y produisent des paires électron - trou en quantité proportionnelle à la lumière frappant la cible à l'endroit concerné. Tandis que les électrons sont attirés par le potentiel + Vc, les trous, porteurs minoritaires, vont se stocker dans la couche d'inversion des capacités MOS comme indiqué en +++ à l'interface des deuxième et quatrième capacités. Cet apport de charges positives, caractérisitiques de l'information, à l'interface S des capacités, provoque une réduction du puits de potentiel ou encore fait diminuer la chute de potentiel à l'interface qui devient 9 s2 tel quejtt' s2t 81 |; le potentiel d'interface S mesuré par rapport au potentiel nul de cathode passe, dans le même temps, de Vs1 à Vs2. Quant à la frontière de la charge d'espace, elle remonte sous les capacités où se sont stockées des informations. Il faut noter que cette inscription, qui doit se faire pour toute la cible en un temps assez court pour que la génération thermique de paires électron - trou soit négligeable,se fait-pendant que le faisceau d'électrons balaie la cible. le potentiel des plots que l'on appellera pour simplifier potentiel de grille Vg, l'ensemble des plots 3 étant assimilé à une grille, reste donc constant et égal au potentiel de cathode Vk=O De manière générale, on peut écrire ici Vg = Vox +Ys + Vc (i) Vox étant la chute de potentiel dans la couche d'oxyde 2.Cette chute de potentiel Vox peut encore s'écrire : Vox =Q1 = Qi + Qd (2) Cox Cox où - Qi est, comme déjà dit, la charge négative apportée par le faisceau sur les plots (fig.3) - Cox est la valeur de la capacité de la couche d'oxyde 2 par unité de surface - Qi est la quantité de charges d'information stockée dans les couches d'inversion des capacités - Qd est la charge d'espace. s l'inscription, comme dit plus haut, Vg =-Vox + 9 s + Vc = O qu Vox + Y s = -Vc = constante Or #s varie puisque |# s2| Qi varie. Le faisceau d'électrons émis par la cathode K apporte ainsi sur les plots 3 correspondant aux capacités où une information est stockée des électrons supplémentaires, la charge négative de ces plots devenant Q2 tel que | Q2 | > | Q1|. On peut noter que cet apport d'électrons se traduit par une modulation du courant de faisceau de la cathode K. En effet, plus la quantité d'information Qi stockée dans une capacité-aura été importante, et plus il faudra apporter d'électrons au plot correspondant pour que son Potentiel reste nul. En mesurant ce courant de faisceau, en intercalant une résistance dans le circuit de cathode de manière classique en soi, on obtient une lecture de l'information simultanée à son inscription, et non destructive ; on peut noter qu'il s'agit d'une image électrique positive, le courant de faisceau étant d'autant plus intense que l'information correspondante tétait elle-mme. L'image étant ainsi inscrite, on coupe le faisceau d'électrons F, au moyen d'une électrode de commande telle que M sur la figure 2. Le dispositif, est alors à charge constante, les plots n'ayant pas reçu d'information-ayant une charge Q1 et ceux en ayant reçu une, une charge Q2 (il est clair que Q2 aura des valeurs différentes selon l'intensité de l'information correspondante). En reprenant l'équation (2), et puisque Q1 et Q2 restent constantes, Qi + Qd = constante et Vox = constante. Mais ici, le faisceau étant coupé, les charges d'espaces du substrat 1 (figure 5) vont s'égaliser par effet thermique-par exemple et, d'une manière classique en soi dans les techniques MOS, les potentiels d'interface des-capacités MOS vont tous s'égaliser à un potentiel d'équilibre # s = 2#F. où # F est le potentiel du niveau de Fermi par rapport au niveau de Fermi intrinsèque. En reprenant la formule générale (1), on a Vg = Vox + t(, s + Vc seul t s varie dans le deuxième terme ; il en résulte que Vg varie et que VVg =##s. (3) Or Vg initial, c'est à dire avant la coupure du faisceau est nul et t s.final, c'est à dire après la coupure est égal à 2WF, valeur très faible (-0,5 volt environ). On peut donc écrire Vg final = -0,5 - ts initial&num; - #s initial. Ainsi, lorsque l'équilibre est atteint, la grille G formée de ltensemble des plots 3, porte un relief de potentiel Vg qui est pratiquement le symétrique de la courbe Vs de la figure 4 ; c'est ce que représente la courbe Vg de la figure 5 où l'on constate que les plots correspondant à des capacités sans information sont au potentiel + Vg1 -#s1, tandis que ceux correspondant à des capacités stockant une information sont au potentiel + Vg2 &num; - ts2. Ce relief de potentiel Vg, qui correspond à un relief de charges Qi stockées dans les couches d'inversion des capacités MOS, est gardé en mémoire avec un temps de mémoire très long, la décharge ne pouvant s'effectuer que par perte par conduction dans la silice, ce qui est toujours très faible. On peut noter que le passage de la figure 4 à la figure 5, c'est à dire le passage à l'équilibre pour les charges d'espace dans le substrat 1 peut se-faire, comme déjà dit, simplement par génération thermique, mai.s peut également se faire, plus rapidement,en éclairant le substrat. La lecture de l'image ainsi mise.en mémoire sous forme de relief de potentiel Vg sur les plots 3 se fait simplement en balayant la mosaSque de plots 3 par lé faisceau d'électrons F à nouveau débloqué. La lecture du vidéosignal se fait, comme dans un vidicon classique, en mesurant le courant de faisceau. Le faisceau d'électrons ramène ici les plots 3 au potentiel Vg = O en leur apportant d'autant plus d'électrons qu'ils étaient plus positifs. On a ainsi une image négative ;-le courant de faisceau est d'autant plus intense que l'intensité lumineuse de l'image était plus faible. Une telle lecture est destructive. Elle doit de plus être suivie d'un effacement avant de faire une nouvelle inscription. En effet, le relief de potentiel Vg disparait lors de la lecture, mais les charges positives stockées dans les couches d'inversion y restent et saturent le dispositif. Il faut donc les enlever avant de réinscrire. - Il suffit pour cela de porter le substrat 1 à un potentiel positif assez élevé, 300 volts par exemple, et de balayer la mosaï- que de capacités NDS avec le faisceau F. Il se produit sur les plots une émission secondaire d'électrons ; les plots perdent des électrons qui compensaient les charges positives saturant les couches d'inversion et-l'effacement est réalisé. Le substrat est alors à nouveau porté au potentiel dtinscription et de lecture, + Vc, qui est par exemple + 20 volts. REVENDICATIONS t. Dispositif image à mémoire susceptible de mémoriser une image à deux-dimensions,caractérisé en ce qu'il comporte un substrat (1 semiconducteur dopé de type N, une couche mince (2) d'un matériau isolant recouvrant une face du substrat dont la face opposée est destinée à recevoir l'image à mémoriser, et des plots (3) en un matériau conducteur déposés sur la dite couche isolante (2) de manière à constituer une mosaïque de capacités MIS discrètes constituant autant de mémoires élémentaires, stockant chacune les informations caractéristiques de la surface élémentaire d'image correspondante, les dites capacités MIS et les zones les séparant présentant des propriétés d'interface semiconducteur-isolant différentes, le seuil d'inversion des dites zones étant inférieur à celui des dites capacités, de manière que lorsqu'un faisceau d'électrons balaie la mosalque de capacités, portant la surface qu'il frappe à un potentiel négatif par rapport au substrat, les régions de l'interface semiconducteur-isolant des capacités MIS présentent une couche d'inversion servant au stockage des porteurs minoritaires caracté ristiques de la surface élémentaire correspondante image tandis que l'interface semiconducteur-isolant des dites zones entourant les capacités.ne présente pas de couche d'inversion ; 2-.Dispositif image à mémoire selon la revendication 1, carac- térisé. én ce que les dites capacités sont des capacités MOS constituées par un substrat de silicium recouvert d'une couche de silice sur laquelle sont déposés les plots métalliques (3). 3. Dispositif image mémoire selon la revendication t, caractérisé en ce que les différences de propriétés d'interface S semi,-. conducteur-isolant sont obtenues par la présence d'ions positifs liés dans les zones entourant les- -capaci.tés MIS. - 4. Dispositif image à mémoire selon la revendication-l, caractérisé en ce que les différences de propriété d'interface S semiconducteur isolant sont obtenues par la présence de charges négatives liées-sous les plots des capacités MIS. 5. Tube image à mémoire caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif image selon l'une des revendications 1 à 4.