Brevet FR2390010A1 — publié le 19781201

ta présente invention concerne un dispositif à couplage par charges et plus précisément un dispositif de détection des charges de façon non destructrice à la sortie d'-une structure à dispositifs à couplage par charges. Un dispositif à couplage par charges est un appareil à semi-conducteur utilisé pour le stockage et le transport successif de charges, représentant des informations, entre des puits de potentiel créés près de la surface du corps semiconducteur sous une couche diélectrique. Ces puits de potentiel sont induits par application séquentielle de tensions à un arrangement d'électrodes conductrices placé sur la couche diélectrique adjacente au corps semi-conducteur et relié afin qu'il impose un fonctionnement biphasé, triphasé ou quadriphasé. tes structures à dispositifs à couplage par charges biphasés ayant des épaisseurs différentes d'isolant de grille destinées à créer un potentiel différent d'interface pour une tension donnée de grille, sont déjà connues. Ces structures ont habituellement des électrodes qui se recouvrent, qui sont isolées les unes par rapport aux autres par une matière diélectrique, et qui sont reliées par paires. Une structure utile de transport de charges doit aussi comprendre un dispositif d'introduction et de restitution de signaux représentés par les charges. On connaît aussi de telles structures d'entrée et de sortie pour dispositif à couplage par charges. Un circuit d'entrée d'un tel dispositif transforme la tension ou le courant d'un signal en un paquet de charges de dimensions équivalentes, dans la région du canal du dispositif à couplage par charges, et un circuit de sortie d'un tel dispositif détecte et mesure ces paquets de charges à la sortie de la structure. tes dispositifs connus des types indiqués présentent une mauvaise réponse en fréquence, une mauvaise aptitude à l'excitation par un courant et un bruit indésirable de remise à zéro. L'invention concerne un appareil perfectionné à dispositif à couplage par charges, ainsi que son procédé de réalisation, un tel dispositif ayant la plupart sinon la totalité des avantages et des caractéristiques avantageuses des structures utilisées dans des applications analogues et des procédés de fabrication analogues, sans les nombreux inconvénients précités. L'invention concerne plus précisément un tel appareil à dispositif à couplage par charges ayant un circuit perfectionné de sortie destiné à détecter les charges des signaux du canal des dispositifs à couplage par charges et à les transformer en signaux de sortie d'amplitude convenable. A cet effet, l'invention concerne un appareil à dispositif à couplage par charges ayant un corps semi-conducteur qui est semi-isolant et a un premier type de conductivité, une couche isolante placée sur une surface du corps semi-conducteur, un dispositif formant des électrodes dans la couche isolante, destiné au stockage et au transport successif des paquets de porteurs de charges représentant l'information des signaux le long d'une partie de la surface du semi-conducteur, avec formation d'une région de canal de couplage par charges. L'invention concerne la mise en oeuvre d'une grille flottante, d'un transistor métal-oxyde-semi-conducteur MOS et d'un transistor bipolaire. ta grille flottante recouvre une partie prédéterminée de la région de canal de couplage par charges et, lorsqu'elle est polarisée, elle détecte la dimension du paquet de charges placé au-dessous dans le canal. La structure MOS est formée en partie par établissement dans une région prédéterminée du corps semiconducteur, de deux régions d'un second type de conductivité, séparées par une région d'un premier type de conductivité, cette région du premier type de conductivité formant le canal du transistor alors que les deux régions du second type de conductivité forment les régions de source et de drain du transistor MOS. Une partie de la grille flottante est disposée au-dessus de la région du canal du transistor et règle la conductivité de cette région.Le transistor bipolaire est formé à l'intérieur de la structure du transistor MOS, par changement du type de conductivité d'une partie de l'une des deux régions ayant le second type de conductivité, sous forme d'une région d'un premier type de conductivité entourée par le reste de la matière du second type de conductivité. De cette manière, un circuit pilote à transistor bipolaire est incorporé au transistor MOS à la sortie du dispositif à couplage par charges, sans aucune étape supplémentaire de traitement. Le corps semi-conducteur sur lequel est réalisé le dispositif à couplage par charge à canal formé en surface, est utilisé comme collecteur du transistor bipolaire.La région de source (ou de drain) du transistor MOS forme la base du transistor bipolaire et une nouvelle région diffusée (ou contenant des ions implantés) formée dans la source (ou l#drain) forme l'émetteur du transistor bipolaire. Cette dernière région diffusée (ou implantée) est réalisée en même temps que la région diffusée (ou implantée) qui forme la région d'arrêt de canal du dispositif à couplage par charges. Une région de contact de collecteur peut aussi être formée pendant l'étape utilisée pour la formation de la région d'arrêt du canal. Parmi les nombreux avantages de cette structure, on peut citer la meilleure aptitude au pilotage par un courant et la meilleure réponse en fréquence. En outre, la structure de sortie a un fonctionnement présentant un gain en tension et un gain en courant. Un autre avantage est que la grille flottante détecte la charge du dispositif à couplage par charges de façon non destructrice, et la charge peut donc être détectée plusieurs fois lorsqu'elle passe dans plusieurs amplificateurs. t'invention concerne donc un dispositif à couplage par charges ayant un circuit perfectionné de sortie ayant une bonne réponse en fréquence et un bon #ain de sortie pour le signal Elle concerne aussi une structure de couplage des charges signal circulant dans le canal du dispositif à couplage par charges au courant de base d'un transistor bipolaire par l'intermédiaire d'une combinaison à transistors bipolaire et MOS. Elle concerne aussi une nouvelle structure à dispositifs à couplage par charges ayant un transistor de sortie MOS dans lequel est intégré un transistor bipolaire. Elle concerne aussi un procédé très reproductible de réalisation d'une structure à dispositifs à couplage par charges ayant un circuit de sortie qui comprend en combinaison les transistors bipolaire et MOS (combinaison BIPMOS). Elle concerne aussi une structure à dispositif à couplage par charge ayant une grille flottante détectrice disposée au-dessus du canal du dispositif et destinée à détecter les charges des signaux et à induire un changement de tension à la grille d'un transistor MOS de sortie qui modifie à son tour le courant du canal de ce transistor, constituant le courant de base d'un circuit pilote à transistor bipolaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe d'une partie d'une strucutre d'un dispositif à couplage par charges de type connu, comprenant un circuit de détection des charges; la figure 2 est une coupe d'une partie d'une structure à dispositif à couplage par charges comprenant un circuit de détection de charges réalisé selon l'invention ; la figure 3 est une perspective avec des parties arrachées d'un mode de réalisation de circuit selon l'invention ;; la figure 4 est une coupe schématique d'un mode de réalisation selon l'invention, représentant en détail la combi- naison de transistors MOS et bipolaire, à la sortie de la structure la figure 5a représente un autre mode de réalisation de l'invention comprenant une région supplémentaire destinée au contact avec la région de collecteur du transistor bipolaire la figure 5b est un schéma électrique représentant la coupe du dispositif de la figure 5a ; et la figure 6 est un schéma électrique d'une autre configuration de dispositif selon l'invention. ta figure 1 représente un dispositif connu qui comporte un substrat semi-conducteur 10, une couche diélectrique 12 et deux jeux sécants a'électrodes 14 et 16 de dispositifs à couplage par charges, ciblés pour un fonctionnement biphasé sous 1: commande de deux tensions d'impulsions d'horloge 91 et +2. La dernière paire d'électrodes reliées est elle-m & e reliée à une tension +COR de grille écran destinée à créer un potentiel d'évacuation des charges. Une diode 20 de sortie est placée à proximité de la grive écran et est destinée à détecter directement les paquets de charges. Cette diode est reliée à un transistor MOS de sortie 22. Une grille 24 est destinée à rétablir le potentiel de la diode 20 après mesure de chaque paquet de charges. Des grilles 26 et 28 sont aussi destinées aux transistors de rétablissement et de sortie. La figure 2 est une coupe schématique d'un mode de réalisation de l'invention. Elle représente un substrat semiconducteur 30 à une face duquel est placée une couche diélectrique 32 dans laquelle sont formés deux jeux de grilles 34 et 36 formant un dispositif à couplage par charges de surface biphasée sur une partie de la surface du substrat. Deux sources de tension d'horloge 91 et f2 polarisent les électrodes du dispositif de couplage par charge et la charge se déplace sous leur influence, le long d'une bande de la surface du substrat formant une région de canal. Une grille flottante 38 est aussi placée au-dessus d'une partie de cette région de canal et elle est utilisée pour la détection de la dimension du paquet de charges du signal, à l'aide de la charge image dans cette grille. Cette électrode flottante doit être polarisée soit par un commutateur de rétablissement soit capacitivement par l'intermédiaire d'une électrode de polarisation telle que 40 qui est couplée à un prolongement de la grille flottante, au-dessus d'un transistor MOS de sortie 42. Ce transistor est formé sur le même substrat 30 que le reste de la structure du dispositif à couplage par charges et il comprend une région 44 de source et une région 46 de drain. Dans cette dernière, une région 48 a une conductivité opposée à celle de la région 46 et elle est utilisée comme région d'émetteur d'un transistor bipolaire formé simultanément au transistor MOS 42 et dans la même partie du substrat. Une telle combinaison MOS et bipolaire est appelée BIPMOS, de manière connue.Cependant, on n'a encore jamais utilisé ou décrit cette configuration et en combinaison avec une grille flottante de détection à une sortie d'un dispositif à couplage par charges. Dans un ensemble d'essai réalisé selon l'invention, un dispositif à couplage par charges à canal p du type représenté sur la figure 2 est réalisé sur un substrat 30 de silicium semi-isolant de type n, avec un diélectrique 32 de silice et des grilles 34 et 36 et une grille flottante 38 formées de silicium polycristallin dopé. Des régions diffusées de sortie et d'entrée-de type P sont formées simultanément par un procédé classique de diffusion. Cependant, une implantation d'ions peut aussi etre utilisée pour la formation de la région dopée. Un transistor MOS 42 à canal p est formé à la sortie avec deux régions p 44 et 46 formant les régions de source et de drain du transistor. La grille flottante 38 est placée au-dessus du canal du transistor et de sa grille de commande. Une électrode 40 assure la polarisation de l'électrode de grille. A l'intérieur du drain de type p, une région 48 de type n dopée avec dégénérescence est formée par un gradin de diffusion qui est aussi utilisé pour la formation du dispositif d'arrêt de canal du dispositif à couplage par charges. Une implantation d'ions peut aussi être utilisée pour le dopage. Comme le substrat est de type n, la région de drain de type p et la région formée dans le drain de type n, cette structure de sortie comporte un transistor bipolaire npn.Une région n+ 49 formée dans le substrat est utilisée comme région de contact de collecteur. te drain du transistor MOS peut aussi être utilisé comme base du transistor bipolaire et la région n+ comme émetteur, le substrat constituant le collecteur. Un paquet de charges du signal, circulant sous la grille flottante dans le canal du dispositif à couplage par charges, induit un changement de tension de la grille et provoque alors un changement du courant du canal du transistor MOS qui constitue le courant de la base du transistor bipolaire. Ainsi, la charge du signal, passant dans le canal du dispositif, se reflète dans le courant de la base du transistor bipolaire npn, dans cette nouvelle structure qu'on peut considérer comme une structure BIPMOS à grille flottante.Lorsque le dispositif est réalisé sur une couche épitaxiale, des dispositifs BIPMOS isolés peuvent être formés et divers types d'amplitifcateurs bipolaires peuvent être réalisés à la sortie du dispositif à couplage par charges puisque le collecteur du transistor npn peut alors être isolé de la couche épitaxiale sur lequel est formé le dispositif. On se réfère maintenant à la figure 3 qui est une perspective d'un dispositif analogue à celui de la figure 2, réalisé selon l'invention. Ce dispositif comprend un substrat 30, une couche diélectrique 32, deux jeux d'électrodes 34 et 36 assurant le fonctionnement biphasé du dispositif à couplage par charges, une grille flottante 38 polarisée capacitivement par une électrode 40, un transistor MOS 42 de sortie ayant des régions 44 et 46 de source et de drain respectivement, et un transistor bipolaire dont la région de drain 46 constitue la base, le substrat 30 formant le collecteur de ce transistor alors qu'une nouvelle région dopée 48 de conductivité opposée, formée dans le drain, constitue l'émetteur du transistor bipolaire. On se réfère maintenant à la figure 4 qui est une coupe schématique d t un dispositif analogue à celui de la figure 3. il comporte une structure 50 de dispositifsà couplage par charges ayant une entrée et une sortie. Une grille flottante 38 recouvre une partie du canal du dispositif et détecte la charge du canal et transporte l'information à un amplificateur BIPMOS analogue à celui qui est représenté sur la figure 3. Ce dispositif BIPMOS a une région dopée supplémentaire 52 qui est utilisée comme région de contact du collecteur dl transistor bipolaire. Il s'agit d'une région dopée avec dégénérescence dont le type de conductivité est celui du substrat.Comme un tel amplificateur à grille flottante détecte la charge de façon non destructrice, de nombreux amplificateurs BIPMOS à grille flottante peuvent être utilisés pour un même canal de dispositif à couplage par charges pour la détection d'un signal avec un excellent rapport signal/bruit. La combinaison de plusieurs amplificateurs de ce type peut être réalisée par mise en oeuvre du principe des amplificateurs répartis à grille flottante, décrit dans l'article de Wen et Coll. "Design and Operation of a Floating Gate Amplifier, IEEE Journal of Solid-State Circuits, SC-9, 410-414. On se réfère maintenant à la figure 5a qui est une coupe du dispositif BIPMOS représenté sur la figure 3, en combinaison avec la partie principale du dispositif à couplage par charges. La figure 5b représente un circuit équivalent au dispositif BIPMOS de la figure Sa. La figure 6 représente un dispositif à couplage par charges ayant un dispositif à charges de source à région diffusée flottante de type classique et un dispositif BIPMOS à grille flottante reliéeà charges d'émetteur. Un appareil à dispositifs à couplage par charge réalisé selon l'invention peut être fabriqué sur une couche épitaxiale. De cette manière, plusieurs dispositifs BIPMOS isolés ayant des amplificateurs à transistor bipolaire de différents types de configuration nécessaires pour les différentes applications du circuit de sortie du dispositif à couplage par charges, peuvent être réalisés. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qutà titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Appareil à couplage par charges, du type qui comporte un substrat semi-conducteur semi-isolant 30 ayant un premier type de conductivité, une couche isolante 32 placée sur une face du substrat et un dispositif à électrodes 34, 36 formé dans la couche isolante et destiné au stockage et au transfert séquentiel de paquets de porteurs de charges représentant l'information d'un signal, le long d'une partie de la surface du substrat formant une région de canal à couplage par charges, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il a un circuit de sortie qui comprend a) une grille flottante 38 associée à une structure 40 de polarisation placée au-dessus d'une partie prédéterminée de la région de canal à couplage par charge, si bien que, lorsqu'elle est convenablement polarisée, la grille flottante détecte la dimension du paquet de charges correspondant au signal, passant au-dessous, b) une structure à transistor MOS 42 formée en partie par disposition dans une région prédéterminée du substrat, de deux régions 44, 46 ayant un second type de conductivité et séparées par une région ayant un premier type de conductivité qui forme la région de canal du transistor, les régions ayant le second type de conductivité formant la source et le drain du transistor, une partie de la grille flottante 38 étant disposée au-dessus de la région de canal du transistor et réglant la conductivité de cette région, et c) une structure à transistor bipola#ire 48, 46, 30 formée dans le transistor MOS par changement du type de conductivité d'une partie de l'une des deux régions, par exemple la région 46, ayant le second type de conductivité dans le transistor MOS, en une région 48-du premier type de conductivité destinée à former l'émetteur du transistor bipolaire et entourée par la matière restante ayant le second type de conductivité, la matière restante de la région NOS 46 constituant la base et le substrat 30 un collecteur pour le transistor bipolaire. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une région dopée avec dégénérescence, ayant un premier type de conductivité, formée dans le substrat, et destinée à etre utilisée comme région de contact 49 du collecteur bipolaire 30.