Brevet FR2511545A1 — publié le 19830218

"Dispositif semiconducteur comportant un dispositif à couplage de charges à quatre phases" L'invention concerne un dispositif semiconducteur compor- tant un dispositif à couplage de charges à quatre phases muni d'un corps semiconducteur dont une surface présente une rangée d'électro- des auxquelles peuvent être appliquées des tensions d'horloge pour le stockage et le transfert de paquets de charges électriques, élec- trodes comprenant une pluralité de groupes constitués chacun par quatre électrodes, la première électrode de chaque groupe étant re- liée à une première ligne d'horloge, la deuxième à une deuxième li- gne d'horloge, la troisième à une troisième ligne d'horloge et la quatrième à une quatrième ligne d'horloge, alors que la dernière électrode de la rangée est reliée à une connexion séparée et est si- tuée à côté d'un étage de lecture, dont la capacité est suffisamment grande pour contenir un paquet de charges maximal qui peut être sto- cké au-dessous de deux électrodes voisines. Dans des dispositifs usuels à couplage de charges, l'éta- ge de lecture est formé par la sortie La structure de sortie usuel- le comporte une zone de sortie ou diode qui, le plus souvent, est reliée à l'électrode de grille d'un suiveur MOST et qui est à un po- tentiel déterminé à travers une résistance ou un commutateur de re- mise à l'état initial La dernière électrode se situant avant la zo- ne de sortie est couramment appelée porte de sortie et est de pré- férence à un potentiel fixe Dans le cas d'un dispositif à couplage de charges à canal n, ce potentiel est proche du potentiel le plus négatif des tensions d'horloge de transport, et, dans le cas d'un dispositif à couplage de charge à canal p, ce potentiel est proche du potentiel le plus positif des tensions d'horloge Cela permet de réduire la diaphonie des tensions d'horloge sur le signal de sortie. De plus, la capacité de sortie est limitée du fait que chaque charge est stockée dans la diode de sortie. Il est à remarquer que l'étage de lecture ne doit pas né- cessairement coïncider avec la structure de sortie du dispositif, mais qu'une partie du registre peut encore être située entre l'étage de lecture et la sortie De plus, au lieu d'être formée par une dio- de, la capacité de sortie peut être formée par une capacité MOS dont la porte isolée est reliée au suiveur MOST. Dans le mode de fonctionnement conventionnel d'un disposi- tif à couplage de charges à quatre phases, il est possible de trai- ter chaque fois 1 paquet de charges par quatre électrodes, paquet de charges dont la taille est déterminée entre autres par la taille de l'électrode Dans le livre intitulé "Charge Transfer Devices", de C. H Séquin et M F Tompsett, édité par Academic Press, New York, 1975, pages 64 et 65, on précise la manière dont la capacité de charge (valeur du signal) peut être doublée par l'application de tensions d'horloge qui se chevauchent, de sorte qu'il est possible de stocker toujours une charge au-dessous de deux électrodes juxtaposées L'in- vention vise notamment à indiquer une structure de lecture ou de sortie appropriée à ce mode de fonctionnement et permettant d'obte- nir une lecture améliorée des paquets de charges. Conformément à l'invention, un dispositif à couplage de charge du genre décrit dans le préambule est remarquable en ce que l'avant-dernière électrode, située avant l'étage de lecture, forme avec la partie du corps semiconducteur située au-dessous de celle-ci une capacité qui, elle aussi, est suffisamment grande pour pouvoir contenir ledit paquet de charges maximal avant qu'il ne soit effec- tué un transfert de charges vers l'étage de lecture. Pour la compréhension plus précise de l'idée sur laquelle se base l'invention, on va décrire tout d'abord ce qui se passe dans une structure de sortie usuelle, à l'application de tensions d'hor- loge qui se chevauchent. Par l'application de tensions d'horloge de ce genre, il est possible de stocker toujours une charge au-dessous de deux élec- trodes voisines, de sorte que les paquets de charges peuvent être égaux au double des paquets de charges obtenus dans le cas o sur quatre "seaux" vides, il ne peut se présenter qu'un seau plein Les paquets de charges doubles peuvent être transportés vers la sortie et arrivent finalement dans la région située au-dessous des deux dernières électrodes précédant la porte de sortie Tant qu'un mini- mum de potentiel est présent au-dessous des deux électrodes, il est encore possible de stocker le paquet de charges entier Toutefois, à un instant déterminé, le minimum de potentiel disparaît au-des- sous de la première électrode, de sorte que le paquet de charges double est recueilli au-dessous de la deuxième électrode, c'est-à- dire l'avant-dernière électrode, vue à partir de la diode de sortie. Si le paquet de charge a une taille maximale, il est possible que, dès c'est instant-là, de la charge passe dans la diode de sortie à travers la barrière de potentiel située au-dessous de la porte de sortie, jusqu'à ce que le potentiel au-dessous de l'avant-dernière électrode ait atteint le niveau du potentiel au-dessous de la por- te de sortie Le reste de la charge sera transféré vers la diode de sortie lorsque la tension d'horloge présente sur l'avant-dernière électrode est changée. Dans la structure de sortie usuelle, le transfert du pa- quet de charges vers la capacité de sortie sera donc échelonné dans le temps, ce qui est souvent défavorable pour le traitement de si- gnal ultérieur. Par l'application d'une structure de sortie conforme à l'invention, il est possible de stocker le paquet de charges maximal (double) au-dessous de ladite avant-dernière électrode à une tension invariable adéquate sur la porte de sortie et peut être transférée. dans son entier et à chaque instant voulu vers la diode de sortie ou la capacité de lecture. Un mode de réalisation simple est remarquable en ce que la capacité que forme l'avant-dernière électrode avec le corps semi- conducteur est supérieure au double de la capacité que forment les électrodes précédentes avec le corps semiconducteur Dans ce mode de réalisation, à une tension d'horloge utilisée, il est possible de former au-dessous de la porte de sortie une barrière de potentiel légèrement inférieure à celle présente au-dessous des électrodes précédentes, tandis que toute la charge reste pour autant au-dessous de ladite avant-dernière électrode. De préférence, la valeur des capacités déterminant à nou- veau la caractéristique de fréquence du dispositif, l'avant-dernié- re électrode est réalisée de façon qu'elle forme une capacité qui, au plus, est trois fois plus grande que la capacité que forment les électrodes précédentes avec le corps semiconducteur. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donnée à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux compren- dre comment l'invention est réalisée. La figure 1 est une coupe transversale d'un dispositif à couplage de charges à 4 phases conforme à l'invention. La figure 2 a représente un schéma des tensions d'horloge % appliquées en fonctionnement ainsi que la tension de sortie Vo qui en résulte. La figure 2 b représente la tension d'horloge O r qui est utilisée, en fonctionnement, dans un dispositif connu à couplage de charges à 4 phases ainsi que les tensions de sortie Vo qui en résul- tent. La figure 1 représente schématiquement une coupe transver- sale d'une partie d'un dispositif à couplage de charges conforme à l'invention, à savoir la partie qui est essentielle dans le cadre de l'invention et comporte un étage de lecture qui, dans l'exemple de réalisation envisagé, coincide avec la sortie du dispositif à cou- plage de charges La partie non représentée sur la figure, partie pouvant comporter une entrée électrique, peut être d'une structure conventionnelle. Le dispositif à couplage de charges considéré est d'un type dans lequel le transport de charges s'effectue au moins es- sentiellement dans la masse du corps 1, type qui est encore connu dans la littérature sous l'abréviation pecd ou becd Bien que l'in- vention s'applique également à des ccd dits en surface, l'invention offre des avantages particuliers pour l'application de ced de trans- port dans la masse de ce genre, à cause de la capacité de charge augmentée qui est relativement faible dans les ccd conventionnels de transport dans la masse. Le dispositif comporte un corps semiconducteur 1 qui, dans un mode de réalisation spécifique, consiste en silicium mais qui peut également être constitué par un autre matériau semiconducteur approprié, tel que le Ga As. Le corps 1 comporte un substrat la d'un premier type de 11545 conductivité, par exemple le type p, qui par épitaxie ou par implan- tation ionique, est muni d'une couche superficielle de type n, sur toute l'épaisseur de laquelle peut être formée une région d'appau- vrissement pour le transport d'électrons dans la masse. A la surface 2 du corps semiconducteur, on a prévu une sé- rie d'électrodes 3 à 12, par exemple dans une configuration connue de chevauchement à 2 couches en silicium polycristallin De toute évidence, les électrodes peuvent être réalisées également selon une technique à trois couches de silicium polycristallin Par ailleurs, il est également possible que les électrodes 3, 5, 7, 9 et 11, par exemple, soient en Al De plus, il est possible d'utiliser pour les électrodes un siliciure de métal au lieu de silicium polycristallin. Entre le corps semiconducteur 1 et les électrodes 3 à 12 est situé un diélectrique 13 qui, dans le mode de réalisation spéci- fique considéré, peut comporter une couche d'oxyde de silicium d'une épaisseur de l'ordre de 1000 A, mais qui peut comporter aussi des couches constituées par des matériaux autres que l'oxyde de silicium> par exemple du nitrure de silicium Dans d'autres modes de réalisa- tion, notamment ceux dans lesquels on a choisi un métal approprié pour les électrodes, la couche d'arrêt 13 peut être remplacée, dans l'exemple de réalisation décrit, par une jonction Schottky de re- dressement à polariser dans le sens d'arrêt. Pour approprier le dispositif au fonctionnement à 4 pha- ses, les électrodes 3 à 12 sont groupées par quatre, les électrodes 4 et 8 étant connectées à une première ligne d'horloge 14, les élec- trodes 5 et 9 à une deuxième ligne d'horloge 15, les électrodes 6 et à une troisième ligne d'horloge 16 et les électrodes 3, 7 et 11 à une quatrième ligne d'horloge 17. L'électrode 11 est suivie d'un étage de lecture qui, dans l'exemple de réalisation considéré, coîncide avec la sortie à tra- vers laquelle les paquets de charges sont sortis du dispositif Tou- tefois, dans d'autres exemples de réalisation, il est possible que l'étage de lecture précède la sortie tout en étant séparé de celle- ci par une partie du registre La sortie (ou étage de lecture) est d'une structure conventionnelle et comporte une région 18 dans la- quelle sont recueillis les paquets de charges à lire Cette région qui, d'une part, est reliée à la porte d'un circuit suiveur 19 pour la lecture de la tension de sortie Vo, est branchée d'autre part, à travers un commutateur MOST 20, sur une source de tension fournis- sant la tension de référence Vr Le commutateur MOST 22 comporte la région 18 servant de source, l'électrode 21 servant d'électrode de grille isolée ainsi que la zone 22 branchée sur la source de tension Vr et servant de zone de drain. Comme décrit en détail dans la suite de cet exposé, il est possible d'appliquer aux électrodes de tension d'horloge 3 à 11 des tensions d'horloge O à O > telles qu'une charge puisse être stockée chaque fois au dessous de deux électrodes voisines La capacité de la région de lecture a été choisie de façon qu'aux tensions appli- quées, un tel paquet de charges puisse être stocké dans son entier dans la région 18 Conformément à l'invention, l'avant-dernière élec- trode 11, située avant la région 18, peut former avec la partie du corps semiconducteur lb située au-dessous de celle-ci une capacité qui, elle aussi, est suffisamment grande pour pouvoir contenir un tel paquet de charges avant que la charge ne soit transférée vers la région 18 Pour éviter le transport prématuré vers la zone 18, la capacité que forme l'électrode 11 avec la région lb a été choisie supérieure à la somme des capacités que forme avec la région lb cha- que paire d'électrodes voisines de la série d'électrodes 3 à 10. La capacité que forme l'électrode 11 avec la région lb peut être réglée de différentes manières pouvant être appliquées cha- cune à part ou combinées les unes aux autres Ainsi, il est possi- ble, par exemple, d'accoître la concentration de dopage à l'endroit de l'électrode 11, de sorte que le paquet de charges est stocké plus près de la surface 2 Toutefois, dans l'exemple de réalisation envi- sagé, l'augmentation de la capacité est obtenue par le choix adéquat des dimensions de l'électrode 11 A cet égard, il est à remarquer que par "électrode", il y a lieu d'entendre principalement les par- ties des pistes conductrices qui sont situées immédiatement au-des- sus du canal de transport de charge lb et qui font office d'électro- de de stockage/transport Les parties des pistes conductrices qui, en projection, ne sont pas situées au-dessus du canal de transport de charge, ou les parties des électrodes 3, 5, 7, 9 et 11 de la 2 ème couche en silicium polycristallin qui chevauchent les électrodes en silicium polycristallin 4, 6, 8 et 10 de la première couche, n'appar- tiennent pas à la partie effective des électrodes. Dans l'exemple de la figure 1, les électrodes 3 à 10 ont à peu près la même taille L'électrode est au moins 2 fois plus grande que les électrodes 3 à 10 Pour éviter d'une part que de trop gran- des dimensions de l'électrode 11 affectent la vitesse de transport du dispositif et pour permettre d'autre part une liberté de choix voulue des tensions qui sont appliquées à l'électrode 12, on a donné à l'électrode 11 des dimensions qui sont 2, 5 fois plus grandes que celles des électrodes 3 à 10. Pour le fonctionnement du dispositif, on s'en réfère aux figures 2 a et 3, la figure 2 a représentant les tensions d'horloge /1 à 04 la tension d'horloge Tir présente sur l'électrode 21 ainsi que la tension de sortie Vo, et la figure 3 représentant la répartition de potentiel qui se produit alors dans le corps semiconducteur A titre comparatif, la figure 2 b représente la tension 02 et la ten- sion de sortie Vo dans un dispositif à couplage de charges à 4 pha- ses ayant une structure de sortie usuelle. Dans le mode de réalisation envisagé, soit un dispositif à couplage de charges à canal de transport dans la masse de type n, dans lequel les paquets de charges sont déplacés en forme d'électrons à travers la couche lb, la charge est stockée au-dessous des électro- des ayant la tension la plus positive Les tensions d'horloge 01 ' 02 et 03 chevauchent sur au moins 90 ' en phase, comme indiqué sur la fi- gure 2 a, de sorte qu'à chaque instant, au moins deux électrodes voi- sines sont "actives" et qu'on peut utiliser les capacités de 2 élec- trodes juxtaposées pour chaque paquet de charges A l'instant t O Xi et 02 sont, par exemple, positives et 3 et 4 sont négatives Sur la figure 3, on a indiqué qu'à cet instant, un paquet de charges repré- senté par des hachures est stocké au-dessous des électrodes 8 et 9. Lors de l'application d'électrodes d'horloge à chevauchement, ce pa- quet de charges est deux fois plus grand que les paquets de charges qui, à des tensions d'horloge sans chevauchement des mêmes amplitu- des, ne peuvent être stockés qu'au dessous d'une seule électrode. A l'instant tl, 2 et A 3 sont positives, tandis que /4 et 1 sont négatives Dans cette situation, ledit paquet de charges est situé au-dessous des électrodes 9 et 10 (voir figure 3). A l'instant t 2, 03 et 04 sont positives, et 1 est négati- ve Le paquet de charges est alors stocké au-dessous des électrodes 10 et 11. A l'instant t 3, 04 et 01 sont positives, tandis que 02 et 03 sont négatives L'entier paquet de charge ne se trouve qu'au-des- sous de l'électrode 11 Si la surface-effective de l'électrode 11 était au moins 2 fois plus grande que celle des électrodes 3 à 10, il serait possible, à la pleine tension négative de l'électrode 12, que l'entier paquet de charges soit déjà stocké au-dessous de l'électrode 11 sans que le paquet de charges passe déjà partiellement dans la ré- gion de lecture 18 Comme la surface de l'électrode 11 a été choisie encore plus grande, c'est-à-dire à peu près 2,5 fois plus grande que celle des électrodes précédentes, le puits de potentiel engendré au- dessous de l'électrode 11 ne sera pas entièrement rempli Ainsi, il est possible d'appliquer, au lieu de la pleine tension négative, une tension légèrement inférieure à l'électrode 12, de sorte que la bar-. rière de potentiel au-dessous de l'électrode 12 est légèrement infé- rieure à celle située au-dessous de l'électrode 10 sans qu' il y ait transfert de charges vers la région 18 Tant que la tension sur l'é- lectrode 11 ne varie pas, la-région 18 peut être utilisée pour la lecture d'un signal précédent, lui aussi représenté par des hachures. A l'instant t 4, l'électrode 21 porte une tension positive O r' de sorte que le transistor 20 est actif et que la région 18 est raccordée à la tension Vr de remise à l'état initial Le paquet de charge qui-est stocké dans la région 18 est alors enlevé par l'inter- médiaire du transistor 20, de sorte qu'à nouveau, la région 18 est prêt à stocker le paquet de charge situé au-dessous de l'électrode 11 Simultanément avec l'impulsion d'horloge O r' l'entrée du circuit suiveur de source 19 reçoit le signal nul Vr. A l'instant t 5, la tension 04 sur l'électrode 11 est égale- ment négative, ce qui fait baisser le potentiel au-dessous de l'é- lectrode 11 Comme la barrière au-dessous de l'électrode 12 est légè- rement inférieure à celle située au-dessous de l'électrode 10, la charge passe dans la région 18 et provoque dans cette région un si- gnal de sortie Vo à mesurer par le suiveur de source la valeur du signal est indiquée par Vs. Pour la lecture du signal est disponible l'entier interval- le de temps compris entre deux impulsions d'horloge gr, du fait que le signal est transféré intégralement vers la région 18 à un instant qui est déterminé par 4 A titre comparatif, la figure 2 b représente la situation qui se présente dans le cas d'une structure de sortie usuelle, dans laquelle l'électrode 11 a les mêmes ou à peu près les mêmes dimensions que les électrodes 3 à 10 Dans ce cas, une partie faible de la charge peut déjà s'écouler lorsque l'électrode 11 ( 4) devient positive et que l'électrode 9 (%) devient négative à cause de la tension légèrement inférieure qui est présente sur l'électrode 12 (t 6) Avant que l'électrode 10 ( 03) ne devienne négative, il faut d'abord que la région 18 soit remise à l'état initial (t 7) Ce n'est qu'alors que la tension d'horloge négative peut être appliquée à l'é- lectrode 10 (f 3) (instant t 8) Dans le cas d'un paquet de charges maximal, la moitié du paquet de charge passe dès lors dans la région 18 Le transfert du reste de la charge se produit à l'instant t 9, ou 04 devient négative Le transfert du signal vers la région de sor- tie 18 est donc réparti dans le temps Cela diminue l'intervalle de temps qui est disponible pour la lecture De plus, il est nécessaire de prendre des mesures supplémentaires pour déduire le signal de la tension de sor tie Vo Par opposition à cela, le paquet de charges total est trans féré dans la direction conforme à l'invention, à un instant qui n'est déterminé que par la tension d'horloge présente sur l'électrode 11. Il sera évident que l'invention n'est nullement limitée à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus, et que l'homme de l'art peut imaginer de nombreuses variantes sans sortir du cadre de l'in- vention Ainsi, il est également possible d'utiliser l'invention avantageusement dans des dispositifs à couplage de charges dits en surface De plus, on peut également augmenter la capacité de l'élec- trode 11 de manières, combinées ou non, autres que celle consistant à accroître les dimensions, en procédant par exemple par dopage lo- calisé du corps semiconducteur, en agissant sur l'épaisseur de la couche d'oxyde ou en formant localement un diélectrique autre que l'oxyde, tel que le nitrure de silicium, présentant une constante diélectrique supérieure. REVENDICATIONS 1 Dispositif semiconducteur comportant un dispositif à cou- plage de charges à quatre phases muni d'un corps semiconducteur ( 1) dont une surface présente une rangée d'électrodes ( 3 à 12) auxquel- les peuvent être appliquées des tensions d'horloge pour le stockage et le transfert de paquets de charges électriques, électrodes compre- nant une pluralité de groupes constitués chacun par quatre électro- des, la première électrode de chaque groupe étant reliée à une pre- mière ligne d'horloge, la deuxième à une deuxième ligne d'horloge, la troisième à une troisième ligne d'horloge et la quatrième à une quatrième ligne d'horloge, alors que la dernière électrode de la rangée est reliée à une connexion séparée et est située à côté d'un étage de lecture, dont la capacité est suffisamment grande pour con- tenir un paquet de charges maximal qui peut être stocké au-dessous de deux électrodes voisines, caractérisé en ce que l'avant-dernière électrode ( 11), située avant l'étage de lecture ( 18), forme avec la partie du corps semiconducteur ( 1) située au-dessous de celle-ci une capacité qui, elle aussi, est suffisamment grande pour pouvoir con- tenir ledit paquet de charges maximal avant qu'il ne soit effectué un transfert de charge vers l'étage de lecture. 2 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'avant-dernière électrode ( 11) de la rangée d'élec- trodes forme avec le co Yps semiconducteur ( 1) situé au-dessous de celle-ci une plus grande capacité que lesdites deux électrodes voisi- nes. 3 Dispositif semiconducteur selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les électrodes précédant l'avant-dernière électrode ( 11) ont à peu près la même surface et en ce que l'avant-dernière électrode ( 11) a une surface qui est au moins deux fois plus grande. 4 Dispositif semiconducteur selon la revendication 3, carac- térisé en ce que l'avant-dernière électrode ( 11) a une surface qui, au plus, est à peu près trois fois plus grande que celle des électro- des précédant l'avant-dernière électrode. il Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que lesdites quatre lignes d'horloge sont reliées à des moyens servant à appliquer des tensions d'horloge aux électrodes, les tensions d'horloge qui sont appliquées à des électrodes voisines se chevauchant sur 90 en phase.