Brevet FR2483667A1 — publié le 19811204

La présente invention concerne un dispositif d'échantillonnage et maintien à capacité MOS. On connaît dans l'art antérieur essentiellement deux types de dispositifs d'échantillonnage et maintien réalisés en technologie MOS. Ce sont: - d'une part, les dispositifs qui comportent un transistor MOS classique dont la source reçoit la tension d'entrée à échantillonner et dont la grille reçoit une tension d'échantillonnage. Le drain du transistor MOS ou TMOS est relié à une capacité de stockage et à un étage suiveur de tension, à haute impédance d'entrée,-qui peut être constitué de deux TMOS en série. La capacité de stockage n'est pas une capacité MOS. Elle peut être intégrée dans le substrat semi- conducteur o sont intégrés les TMOS, mais elle comporte deux armatures métalliques. Le transfert des charges du drain du TMOS vers la capacité de stockage se fait par la connexion qui existe entre ce drain et l'une des armatures de la capacité de stockage;;- - enfin, d'autre part, les dispositifs qui comportent un tran- sistor MOS du type tétrode ayant deux grilles. La grille la plus proche de la source du TMOS est la grille d'échantillonnage qui reçoit la tension d'échantillonnage.; cette grille est suivie par une grille d'isolement portée à un potentiel constant. Le drain du TMOS est relié comme dans le cas précédent à une capacité de stockage, qui n'est pas une capacité MOS, et à un étage suiveur de tension. Les performances des dispositifs d'échantillonnage et maintien sont essentiellement définies par deux caractéristiques qui sont; - d'une part, le temps d'acquisition de chaque nouvel échan- tillon de tension prélevé sur la tension d'entrée du dispositif. Ce temps doit être minimum; - d'autre part, la capacité de couplage parasite entre la grille et le drain du TMOS du dispositif. Ce couplage doit être réduit au maximum. En voulant améliorer l'une de ces caractéristiques, on aboutit souvent à détériorer l'autre. Ainsi, dans les dispositifs d'échantillonnage et maintien en technologie MOS selon l'art antérieur, qui comportent un TMOS classique, on est conduit à augmenter la valeur de la capacité de stockage pour réduire l'effet de la capacité de couplage parasite. L'inconvénient est qu'en même temps, on augmente le temps d'ac- quisition. Par ailleurs, si on examine à quoi est due la capacité de couplage parasite, on s'aperçoit qu'il y a essentiellement trois causes, qui sont: - le recouvrement entre la grille d'échantillonnage et la diffusion drain du TMOS; - le couplage entre la grille d'échantillonnage et le canal MOS du TMOS. Lors du passage de la tension d'échantillonnage du niveau haut au niveau bas, une partie des porteurs du canal est restitQée aux diffusions source et drain. Lors de cette restitution, le drain qui est un point à haute impédance voit son potentiel s'abaiser de Q.IC, o Qc représente la quantité de charges restituée et C la valeur de la capacité de stockage. Inversement, lors du passage de la tension d'échantillonnage du niveau bas au niveau haut, le drain subit un appel de charges qui élève son potentiel; - enfin, une autre cause à la capacité de couplage parasite est le couplage de la grille d'échantillonnage du TMOS avec le drain par l'intermédiaire du substrat dont la résistance n'est pas nulle. Dans les dispositifs d'échantillonnage et maintien en tech- nologie MOS selon l'art antérieur, qui comportent un TMOS du type tétrode, il n'y a plus, grâce à la grille d'isolement, de recouvrement entre la grille d'échantillonnage du TMOS et sa diffusion drain. Par contre, le couplage entre la grille d'échantillonnage et le canal MOS du TMOS existe toujours. Pour diminuer l'importance de - l'appel ou de la restitution de charges que subit le drain du TMOS, on augmente la longueur de la grille d'isolement du TMOS. L'incon- vénient est qu'en même temps, on augmente le temps d'acquisition. On s'aperçoit donc qu'avec les dispositifs d'échantillonnage et maintien réalisés en technologie MOS selon l'art antérieur, il est difficile de réaliser un compromis de façon à avoir à la fois un temps d'acquisition et une capacité de couplage parasite satis- faisants. La présente invention concerne un dispositif d'échantillonnage et maintien à capacité MOS, constitué par un transistor MOS du type tétrode qui fonctionne en régime triode et dans lequel le stockage des charges correspondant à chaque échantillon de la tension d'entrée est réalisé sur la capacité MOS ayant pour armature la grille d'isolement; le drain de ce TMOS est connecté à un étage suiveur de tension à grande impédance d'entrée qui fournit la tension de sortie du dispositif. Ainsi, dans le dispositif selon l'invention, on supprime tota- lemnent la capacité de stockage, qui n'est pas une capacité MOS, des dispositifs selon l'art antérieur. 'e On réduit ainsi le temps d'acquisition au temps d'équilibrage du potentiel de surface sous les grilles d'échantillonnage et d'isolement avec la source du TMOS qui reçoit la tension dentrée. Contrai- rement à ce qui se passe pour les dispositifs selon l'art antérieur, le temps d'acquisition ne comporte plus le temps nécessaire à la charge d'une capacité de stockage externe à travers un transistor MOS. On peut alors se permettre d'augmenter la longueur de la grille- d'isolement de façon à diminuer la capacité de couplage parasite entre la grille d'échantillonnage et le drain du TMOS tout en conservant le même temps d'acquisition que dans les dispositifs selon l'art antérieur. Avec le dispositif selon l'invention, il est possible d'avoir à la fois un temps d'acquisition et une capacité de couplage parasite satisfaisants. Ainsi, avec le dispositif d'échantillonnage et maintien à ca- pacité MOS selon l'invention, on obtient un temps d'acquisition égal à celui des dispositifs selon l'art antérieur, en même temps qu'on obtient: - une réduction, par 3 environ, du parasite par couplage avec le canal; une réduction, par 10 environ, du parasite par couplage avec le substrat; - et enfin, une réduction de la surface d'encombrement du dispositif, par 1,5 environ. 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: - les figures 1 et 2, les schémas de deux dispositifs d'échantil- lonnage et maintien en technologie MOS, selon l'art antérieur; les figures 3a, b, et c, une vue en coupe longitudinale du dispositif d'échantillonnage et maintien à capacité MOS selon l'in- vention, et deux schémas illustrant son fonctionnement; - la figure 4, un schéma électrique équivalent aux dispositifs d'échantillonnage et maintien qui illustre le couplage par le substrat; - la figure 5, une vue de dessus d'un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention représenté sur la figure 3a. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des différents éléments ne sont pas respectées. Les figures I et 2 représentent les schémas de deux dispositifs d'échantillonnage et maintien, en technologie MOS, selon l'art antérieur. Le dispositif représenté sur la figure 1 comporte un TMOS classique T1 dont la source reçoit la tension d'entrée Ve à échantil- lonner. La grille reçoit une tension d'échantillonnage V qui varie périodiquement entre un niveau bas et un niveau haut V. Le -drain de T1 est relié en un point D à une capacité de stockage C, qui comme on l'a vu précédemment n'est pas une capacité MOS. Au point D, est relié un étage suiveur de tension, à haute impédance d'entrée, qui peut être constitué de façon connue par deux TMOS T2 et T3 en série entre une tension de polarisation VDD et la masse. La grille de T2 est reliée au point D et la grille de T3 est reliée au point commun aux deux TMOS T2 et T3 o on recueille la tension de sortie du dispositif V5. Sur la figure 1, on a représenté symboliquement en pointillés la capacité de couplage parasite Cp qui existe entre la grille et le drain du TMOS. Cette capacité introduit au point D un signal parasite: C Vp =C. Y On constate donc que, comme cela a été dit précédemment, on est conduit à augmenter la valeur de la capacité de stockage C pour réduire l'effet de la capacité de couplage parasite Cp ce qui augmente le temps d'acquisition. Le dispositif représenté sur la figure 2 diffère de celui de la figure 1 car il comporte un TMOS du type tétrode. La source qui reçoit Ve est suivie par la grille d'échantillonnage G, portée à V. Cette grille est suivie par une grille d'isolement G2 portée eu potentiel constant VDD. Comme on l'a vu précédemment, on a intérêt pour diminuer le couplage parasite entre la grille d'échantillonnage et le drain de T1, à augmenter la longueur L2 de la grille G2, la largeur de cette grille étant constante. L'inconvénient est qu'on augmente ainsi le temps dacquisition comme on va le voir dans ce qui suit. Dans les dispositifs selon l'art antérieur, comme dans celui selon l'invention, les TMOS utilisés fonctionnent en régime triode. Si on néglige le temps d'équilibrage des potentiels de surface sous les grilles G1 et G2 devant le temps nécessaire à la charge ou a la décharge de la capacité C, le potentiel VD du drain du TMOS T s'exprime en fonction du temps t par la relation: 2 Vo. V' VD =Ve + 2V VI + (2 VO - V) e t avec VO = VT - e ou V1 est la tension de seuil de TI, avec V' la différence de potentiel initiale entre source et drain de T1, et avec % =C /J.(W/L). COX. V, o p est la mobilité des porteurs, Cox la capacité d'oxyde sous la grille par unité de surface et W/L, le rapport largeur sur longueur de la grille de T1. Pour la charge comme pour la décharge de C, le potentiel VD tend donc exponentiellement vers Ve avec une constante de temps 6 qui est proportionnelle à la longueur L du canal. Dans le cas de la figure 2, ona:L=L1 + L 2 Pour atteindre 90 % de Ve' les temps de charge tc et de décharge td sont les suivants: tc =2. (I) td = 2, 6 -* (2) Si on augmente L2 pour diminuer le couplage avec le drain, on augmente le temps d'acquisition. La figure 3a représente une vue en coupe longitudinale d'un dispositif d'échantillonnage et maintien à capacité MOS selon l'in- vention. Ce dispositif est constitué par un TMOS du type tétrode T4 qui fonctionne en régime triode. Deux diodes D1 et D2 sont diffusées dans le substrat semi- conducteur 1, en silicium par exemple. La diode DB est reliée à la tension d'entrée Ve et joue le rôle de source. La diode D2, qui joue donc le rôle de drain, est reliée à un étage suiveur de tension à grande impédance d'entrée, qui peut être constitué comme sur les figures 1 et 2 par deux TMOS T2 et T3 en série. Cet étage fournit la tension de sortie du dispositif Vs. La diode D1 est suivie d'une grille d'isolement G3, de faible longueur par rapport à celle de la grille d'isolement suivant G2 et sensiblement de la même longueur que la grille d'échantillonnage G1. Après la grille G3, on trouve la grille d'échantillonnage G, portée au potentiel variable V et la grille d'isolement G2. Les grilles G2 et G3 sont portées à un même potentiel constant qui peut être VDD. Les deux grilles d'isolement G2 et G3 sont généralement réalisées par une même métallisation, ce qui permet de rendre la longueur L1 de G1 relativement faible, de l'ordre de 3 pm par exemple. La présence de la grille G3 permet de se contenter pour la grille G1 d'une aussi faible longueur. En effet, en l'absence de G3 il faut donner à la grille d'échantillonnage G1 une longueur plus. importante afin de compenser une éventuelle pénétration de. D1 sous G1. Les grilles G1, G2 et G3, sont isolées du substrat et isolées entre elles par des couches d'oxyde qui ne sont pas représentées sur la figure 3a. Les figures 3b et 3c représentent des schémas illustrant le fonctionnement du dispositif selon l'invention. Ces schémas représentent Pévolution du potentiel de surface dans le substrat semi-conducteur, alors que le tension V se -trouve au niveau bas, pour la figure 3b, et alors que la tension V se trouve,au niveau haut, pour la figure 3c. Les zones hachurées indiquent la- présence de porteurs minoritaires. Les tensions Vn-1 et Vn sont les tensions appliquées à l'entrée du dispositif à deux instants successifs tn 1 et tn. Dans le dispositif selon l'invention, la capacité C se réduit à la connexion entre la diode D2 et l'étage suiveur de tension et peut être considérée comme négligeable. On a calculé le temps nécessaire à l'équilibrage du potentiel de surface sous la grille d'échantillonnage G1 et la grille d'isolement G 2 avec la source du TMOS reliée à V e. Pour atteindre 90 % de Ve en sortie du dispositif, les temps de charge tc et de décharge td' c'est-à-dire de croissance et de décroissance du potentiel de surface sous C 2 sont les suivants: tc = 3,3. (L2/ V) (3) td = 2,3. (L2/V) (4) En utilisant les formules (1), (2) et (3), (4), on peut estimer de quelle longueur 1 on peut accrottre la longueur L2 de la grille d'isolement G2 tout en conservant le même temps daquisition moyen (tc + td) / 2, que pour les dispositifs des figures 1 et 2. Dans les formules (3) et (4), on a L = L1 + L2 + l;la grille G3 étant constamment chargée par la diode D1, on n'a pas à prendre en S compte son temps de charge.. En posant a priori lt L1 + L2, on obtient: c\v L1+*L2 V 1 =i0,82.* Cx * W - Le résultat précédent signifie que si on considère un dispositif selon l'art antérieur tel que celui représenté sur la figure 2 dont les caractéristiques sont les suivantes: C = 10 pF Cox:= 3. 10- pF /pm2 L1=L2 = 5 pm W 100 Pm V = 12 V au niveau haut VT =2V Ve =7V on obtient 1 = 105 Hm. Un dispositif selon l'invention dont la longueur de la grille d'isolement G égale: L2 +1 = 5 + 105 = 110 pm, possède donc le même temps d'acquisition que le dispositif représenté sur la figure 2 dont la longueur L2 de la grille d'isolement G2 n'est que de 5 pm. Dans le dispositif selon l'invention, le rapport des longueurs L2/L1, de la grille d'isolement G2 et de la grille- déchantillonnage G1 est supérieur à 20. On peut maintenant évaluer quelle est l'amélioration apportée, à temps d'acquisition égal, par le dispositif selon l'invention sur le couplage parasite entre la grille et le drain du TMOS. Pour le dispositif selon l'art antérieur représenté sur la figure 2, la tension parasite Vp au point D de T1 qui est due au couplage entre la grille d'échantillonnage et le canal MOS de T1 s'écrit: Vp = U:c., o Qc représente la quantité de charges prélevée ou restituée par le canal de T1 sous G1 en première approximation pour motié sur le drain et pour moitié sur la source, pour l'établissement de la couche d'invension: W.L C V V 1 lox*o I 5 P C (5) Comme on l'a vu précédemment, une autre cause au couplage parasite entre la grille d'échantillonnage et le drain de T1 est le couplage de la grille d'échantillonnage G1 de T1 avec le drain par l'intermédiaire du substrat. La figure 4 représente un schéma électrique illustrant ce couplage. La capacité CG regroupe en série la capacité d'oxyde et la capacité de charge d'espaces de la grille d'échantillonnage G1. La résistance RSUB est la résistance du substrat entre le bord de la zone de charge d'espace et le contact substrat le plus prophe qui est généralement réalisé sur la face arrière du dispositif. Enfin, la résistance R1 est la résistance du substrat entre le bord de la zone de charge d'espace sous la grille d'échantillonnage G1 et sous le drain. Le parasite dû au couplage par le substrat est d'autant moins important que l'on a: RSUB(iRl (6) La figure 5 représente une vue de dessus d'un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention représenté sur la figure 3a. Dans ce mode de réalisation, la géométrie de la grille d'iso- lement G2 est optimale pour que sa capacité soit maximale ce qui permet de diminuer le parasite dû au couplage de la grille d'échan- tillonnage avec le canal, tout en conservant un temps d'acquisition constant. Dans ce mode de réalisation, les grilles G3, G1 et G2 de la figure 3a sont constituées par des secteurs d'anneaux de surface croissante et ayant le même angle au centre. Sur la figure 5, cet angle au centrecK égale 180 et les grilles sont des demi-anneaux, cet angle au centre- Sur la figure 5, les grilles G1, G2 et G3 ont été hachurées pour plus de clarté. La diode D1 est située au centre des cercles déterminant les anneaux. Son extrêmité qui est enserrée par la grille G3 est également en arc de cercle. La diode D2 est placée à un endroit quelconque du cercle de plus grand diamètre, c'est-à-dire à la périphérie de la grille G2. La grille d'échantillonnage G1 est réalisée sur un niveau de métallisation superposé à celui qui porte les grilles G2 et G3; elle est isolée des grilles G2 et G3, par une couche isolante 2. La grille d'échantillonnage G1 a un rayon interne égal à d et un rayon externe égal à d + L1. La grille d'isolement G2 à un rayon interne égal à d + L1 et un rayon externe égal à d + L1 + L2+ 1. Une diffusion d'isolement 3, en demi-cercle, mis-à-part les décrochements nécessités par les diodes D1 et D2, détermine la zone utile du substrat. La diffusion d'isolement 3 est représentée symboliquement en traits discontinus sur la figure. Dans cette configuration, les charges issues de la diode D1 ont toutes à parcourir la même distance pour parvenir à la périphérie de G2, dont le potentiel de surface est lu par la diode D Le temps d'acquisition est donc constant. On peut noter que le parasite d'échantillonnage lui-même est affecté pour parvenir jusqu'à la diode D2 du même temps d'acqui- sition que le signal. Il se trouve ainsi filtré par le canal sous les grilles du TMOS T2 dont le schéma équivalent s'apparente à un réseau de résistances en série chargées par des capacités. La quantité de charges Qc prélevé ou restituée par le canal de T2 sous G1 pour l'établissement de la couche d'inversion s'écrit: Qc = surface de G1. Cox Vo = Lî.(2d+L1).Cox.VO Il est connu que l'expression du potentiel de surface OS en fonction de la densité de charge d'inversion Q est: = OS, o t est un coefficient compris entre 0,7 et 1 qui J -ox dépend du dopage du substrat et de l'épaisseur d'oxyde. D'o la tension parasite V * introduite au niveau de D2 et qui p2 est due au couplage par le canal: p qc y*= y. Q = ox ' strface de G2 2 - *= Y surface de G Vo - L1.(2d+L1) V 1- 0 '1 0V (7) Vp. *surface de G2 ' 2= * 2 ps.rfacedeG'2 L2.(2d+2L +L2 On constate donc que dans le dispositif selon l'invention, l'impor- tance du parasite par couplage avec le canal est proportionnelle au rapport des surfaces des grilles G et G2 La configuration adoptée sur la figure 5 correspond à un plus petit rapport que les configuration o G1 et G2 sont rectangulaires, pour une surface de semi-conducteur donnée. On constate de plus que le rapport des surfaces ne dépend pas de l'angle au centre i. On limite l'angle silicium nécessaire. Pour évaluer, l'amélioration apportée, à temps d'acquisition égal, par le dispositif selon l'invention - en ce qui concerne le couplage parasite par le canal, on peut écrire le rapport: V C "W.L2 L20(2d.+2L1+L2) p 65) C Cox. L2. 2- (2d + 2 Li ±-2 R*=v = (.c2d+1 P En reprenant les valeurs obtenues précédemment: L1 = 5 pm et L2 = 110 pm et en prenant: v = 0,85 et d = 5pm, on obtient Vp *=3,4. p On obtient donc une réduction par trois environ du parasite par couplage avec le canal. En ce qui concerne le parasite dû au couplage par le substrat, l'éloignement de la grille d'échantillonnage G1 de la diode D2, favorise l'augmentation de R1 (voir relation (6)). D'autre part, on réalise un contact avec le substrat 4 qui est porté au potentiel de référence VS5, par la face avant du dispositif. Sur la figure 5, ce contact est en demi-cercle, mis-à-part les interruptions nécessitées par les diodes D1 et D2. Ainsi les contacts avec le substrat peuvent être approchés jusqu'à 10 pm de G1 et G2. La résistance RSUB est donc minimale. Le dispositif selon l'invention permet d'obtenir une réduction par 10 environ du parasite par couplage avec le substrat. Enfin, un dernier avantage du dispositif selon l'invention réside dans le gain de place par rapport à l'art antérieur. La capacité de stockage du dispositif selon l'invention est constituée par la capacité MOS ayant pour armature la grille d'isolement G2. Dans le cas de l'exemple numérique choisi, cette capacité vaut: C.2 (2d+ 2L1 +L2 + 1) (L2 + 1)= 6,7pF - La capacité de maintien C d' un dispositif selon l'art antérieur est de 10 pF, ce qui entraîne un gain en surface de l'ordre de 1,5si la capacité de maintien C est réalisée avec un oxyde de même épaisseur que la grille G2. épaisseur que la grille G2. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'échantillonnage et maintien à capacité MOS, constitué par un transistor MOS du type tétrode, qui fonctionne en régime triode et qui comprend: - une première diode (D1) connectée à la tension d'entrée (Ve) S du dispositif; - une grille d'échantillonnage (G1) reliée à un potentiel va- riable (V) et une grille d'isolement (G2) reliée à un potentiel constant (VDD), qui suivent la première diode; - enfin, une deuxième diode (D2) qui suit la grille disolement, dispositif caractérisé en ce que le stockage des charges corres- pondant à chaque échantillon de la tension d'entrée est. réalisé sur la capacité MOS ayant pour armature la grille d'isolement (G2) et, caractérisé en ce que la deuxième diode est connectée à un étage suiveur de tension à grande impédance d'entrée qui fournit la tension de sortie (Vs) du dispositif. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport des longueurs (L2 / L1) de la grille d'isolement (G2) et de la grille d'échantillonnage (G1) est supérieur à 20, les largeurs de ces grilles étant les mêmes. 3.Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la grille d'isolement (G2) est reliée à une autre grille d'isolement (G3) qui est située entre la première diode (D 1) et la grille d'échantillonnage (G1), cette autre grille d'isolement (G3) ayant une faible longueur par rapport à celle (L2) de la grille d'isolement. 4.Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la grille d'isolement de faible longueur (G3), la grille d'échantillonnage (G1) et l'autre grille d'isolement (G2) sont des secteurs d'anneau de surface croissante et ayant le même angle au centre (- endroit quelconque à la périphérie de l'autre grille d'isolement (G2). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'angle au centre (dK) des secteurs d'anneau ne dépasse pas 1800. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un contact (4) avec le substrat est réalisé par la face avant du dispositif et entoure sensiblement tout le dispositif.