Brevet FR2569485A1 — publié le 19860228

1. t"Coçiposant à couplage de charges avec canal volumique (BCCD) notanment dans l'application dans la micro-électronique" L'invention met en oeuvre un nouveau concept pour la réalisation d'un composant à couplage de charges. Les composants de cette sorte trouvent de multiples applica- tions dans la micro-électronique et dans l'opto-élec- tronique, aussi bien sous la forme de lignes individuelles que sous la forme de lignes rassemblées pour former des ensembles occupant une certaine surface. Parmi les différents types connus de CCD, ceux comportant deux phases sont particulièrement avanta- geux du point de vue de leur commande. Dans une variante de réalisation connue, voir par exemple la série des types Fairchild-CCD ainsi qu'éga- lement les composants L 110, L 133 et L 211 de la VEB WF Berlin, on réalise avec un premier plan de silicium poly- cristallin, les électrodes de mémoire, et avec un second plan de silicium polycristallin les électrodes de trans- ferto Dans ce cas, les électrodes de transfert recouvrent les intervalles structurés entre les électrodes de mémoire. Avant le dép8t du second plan de silicium polycristallin, un dopant du type de conductivité du substrat est implanté dans les intervalles auto-ajustés par les bords des élec- trodes de mémoire, grâce à quoi les zones de barrières de potentiel nécessaires pour l'exploitation ultérieure en deux phases, sont fixées. Une électrode de mémoire et une 2.- électrode de transfert constituent respectivement une paire d'électrodes. Les paires d'électrodes sont alternativement reliées avec la première et avec la seconde phases de syn- chronisation. A cet effet, chacune des électrodes de mé- moire doit être séparée électriquement des électrodes de mémoire voisines. La même exigence est formulée pour les électrodes de transfert. Entoutre, l'isolation entre les électrodes de mémoire et les électrodes de transfert empiétant sur elles, mais reliées à l'autre phase de synchronisation, doit être parfaite. Ces dernières exigences ne sont pas toujours réalisables d'une façon simple dans le processus technolo- gique. la séparation électrique des électrodes de trans- fert entre elles n'est souvent pas obtenue du fait de l'ap- parition ou de la persistance de ce que l'on appelle des fils de silicium polycristallin. Dans la littérature spécia- lisée, il y a déjà des propositions, par exemple dans les documents US-PS 4 027 381, 4 027 382 et 403 506, selon lesquels, dans un CCD à deux phases, les électrodes de chaque phase de synchronisation sont ajustées respectivement à partir d'un seul plan d'électrodes déposé et on évite ainsi les problèmes tels que l'apparition de fils de sili- cium polycristallin. Deux variantes de base sont alors ap- pliquées: 1. étages de portes à oxyde en combinaison avec une implan- tation de barrières 2. une première implantation de barrières avant le dépôt du premier plan d'électrodes, l'implant étant ult6rieu- rement sur certaines zones partielles, en majeure partie absorbé par de l'oxyde à la suite d'un processus d'oxyda- tion, puis une seconde implantation de barrières venant à la suite. Ces sortes de technologie sont compliquées. Comme l'absorption d'un implant de barrières par un oxyde 3.- ne s'effectue pas complètement, des problèmes apparais- sent du fait d'un manque d'homogénéité du potentiel dans les cellules CCD réalisées. La plus petite trame possible est déterminée dans le cas de la technologie mentionnée en premier lieu, oh des électrodes de transfert recouvrent les intervalles structurés entre les électrodes de mémoire, par les longueurs d'inter- valles minimales réalisables et par un chevauchement minimal entre les électrodes de mémoire et les électrodes de trans- fert. Si par exemple, la longueur d'intervalles minimale entre les électrodes de transfert est de 4 p m, le chevauche- ment minimal de 2 m, on obtient comme longueur minimale poulir l'électrode &e mémoire 8 p m. Pour un intervalle de 4pm entre les électrodes de mémoire, on obtient ainsi une trame minimale de 12p mo Le but de l'invention est de créer un composant avec des caractéristiques d'utilisation optimales, notam- ment en ce qui concerne une trame minimale, tout en simpli- fiant notablement la technologie de fabrication. Le problème se posant à la présente invention est de construire un CCD à deux phases avec des zones de barrières auto-ajustées, pour lequel avec une technologie relativement peu complexe, une séparation électrique des électrodes structurées à partir d'un plan n'est pas néces- saire, et qu'en outre, une trame très petite est rendue possible. Conformément à l'invention, pour la solution de ce problème, des zones de transfert auto-ajustées sont disposées dans un registre BCCD, ces zones étant réalisées selon une structure verticale spéciale. Le registre BCCD conforme à l'invention se contente de deux plans d'électrodes. Un substrat semi-conducteur est revêtu d'un film isolant appropriéS sur lequel est déposé un premier plan d'électrodes. Auparavant il a été introduit dans le 4.- substrat une zone de dopage d'un type de conductivité inverse de celui du substrat, pour garantir un transport de la charge de signal dans un canal volumique (BCOD). Aupara- vant également, des zones d'arrêt de canal appropriées ont pu Otre introduites. A partir du premier plan d'électrodes, est structurée une première configuration d'électrodes, de telle façon que les futures zones de mémoire sont recouvertes par le matériau des électrodes, tandis que les futures zones de transfert restent sans matériau d'électrode. Ensuite, avec comme masque la première configuration d'électrodes, un dopant du type de conductivité du substrat est implanté. Les doses et l'énergie d'implantation sont choisies de sorte que dans les futures zones de transfert, une barrière de potentiel suffisante pour l'exploitation en deux phaat. apparaisseo A l'étape suivante, un masque approprié, par exemple en photolaque est structuré de façon que, en direc- tion longitudinale du (futur) registre BOD, chaque deu- xième "intervalle" (le terme intervalle désigne les zones non recouvertes par le matériau d'électrode) soit recouvert de laque. Ensuite, deux implantations sont successivement effectuées: un dopant du type de conductivité opposé à celui du substrat est introduit profondément, et un dopant du type de conductivité du substrat est introduit superfi- ciellement, dans les zones non recouvertes par le masque et non recouvertes par le matériau d'électrode. La dose des dopants du type de conductivité du substrat est me- surée de façon qu'une couche d'arrêt du canal prenne nais- sance immédiatement à partir de la surface du semi- conducteur jusqu'à une certaine profondeur. Cette couche d'arrêt de canal protège le volume de semi-conducteur situé en dessous contre les champs électriques extérieurs. La dose des dopants introduite profondément et du type de conductivité opposé à celui du substrat, 5.- est choisie d'une importance telle que lors du fonction- nement ultérieur du registre BCCD, le potentiel dans ces zones, pour un complet appauvrissement en porteur de char- ges minoritaire (se rapportant au type de conductivité du substrat) atteigne une valeur nécessaire pour une zone de transfert. Il y a lieu de noter que l'importance de cette valeur de potentiel dépend également de la profondeur de pénétration de la couche d'arrêt de canal située par dessus. Des deux implantations s'effectuant l'une après l'autre, doivent 4tre accordées de façon appropriée l'une à l'autre. Après dissolution du masque d'implantation, il s'effectue une autre structuration du premier plan d'électrodes. Chaque seconde porte de mémoire de la pre- mière configuration d'électrodes, décomptée en direction longitudinale du (futur) registre BCCD est enlevée par mordanssage. Ensuite les électrodes subsistantes de la première configuration, si cela n'a pas déjà été fait, sont revêtues d'un film isolant approprié. Puis le se- cond plan d'électrodes est appliqué et à partir de lui, la seconde configuration d'électrodes est structurée. Cette structuration est relativement grossière, et elle peut rester cohérente en direction longitudinale du (futur) registre BCCD. On réalise ensuite les étapes classiques telles que l'introduction de zones de source et de drain, le dép8t éventuel d'autres couches isolantes, la structu- ration de fenêtres de contact et l'application ainsi que la structuration d'un plan de pistes conductrices. Dans la direction de transport du registre BCCD se répète constamment un groupe comportant les quatre zones suivantes: première zone - zone de dopage du type de conductivité opposé à celui du substrat avec introduction de dopants du type de conductivité du substrat, cette zone étant recouverte 6.- par une électrode de la seconde configuration. deuxième zone - zone de dopage du type de conductivité opposé à celui du substrat, recouverte par une électrode de la seconde configuration. troisième zone - zone de dopage du type de conductivité opposé à celui du substrat avec introduction de dopants du type de conductivité du substrat, avec en plus, introduc- tion de dopants du type de conductivité opposé à celui du substrat et avec en plus introduction (superficielle) de dopants du type de conductivité du substrat, cette zone étant recouverte par une électrode de la seconde configu- ration, quatrième zone - zone de dopage d'un type de conductivité opposé à celui du substrat, recouverte par une électrode 1 5 de la première configuration. La première et la seconde zones constituent la zone de transfert et la zone de mémoire d'une première cellule BCCD, et elles sont commandées par une électrode de la seconde configuration. La troisième et la quatrième zones constituent la zone de transfert et la zone de mémoi- re d'une seconde cellule BOCD, la quatrième zone étant commandée par une électrode de la première configuration. La troisième zone est certes recouverte par une électrode de la seconde configuration, mais cette électrode n'a sur la valeur extrême du potentiel électrique dans cette zone, aucune influence car, comme indiqué plus haut, la couche d'arrêt de canal s'étendant depuis la surface du semi- conducteur jusqu'à une certaine profondeur, protège la zone de semiconducteur se trouvant en dessous contre les champs en provenance de l'électrode. La première et la seconde cellules BCCD constituent ensemble un étage d'un BCCD à deux phases. Pour le fonctionnement, une succession d'im- pulsions de synchronisation est appliquée aux électrodes de la seconde configuration, tandis que les électrodes de 7.- la première configuration sont alimentées avec une tension continue, qui est à peu près égale à la moyenne arithméti- que entre le niveau haut et le niveau bas des impulsions de synchronisation. Comme chacun des plans d'électrodes ap- pliqués se situe à une même phase de synchronisation, il n'est pas nécessaire de réaliser une séparation électrique des différentes électrodes à l'intérieur d'un plan. Dans le cas de la présente invention, il n'y a pas de problèmes tels que ceux précédemment évoqués pour les solutions tech- niques connues du fait de l'apparition de fils de silicium polycristallino La seconde configuration d'électrodes n'a pas besoin d'avoir une "structuzation fine" le long du regis- tre BCCD, Ceci simplifie la fabrication. Les barrières de potentiel agissantes dans le registre BOCD sont comme cela résulte clairement de l'ex- posé ci-dessus, auto-ajustées à leur introduction. Un BCCD à deux phases sans un tel auto-ajustage serait affecté dinconvénients trop importants. Cependant, l'établissement des contacts est simplifié et peu encombrant. La seconde configuration d'élec- trodes peut, sans "structuration fine", 9tre connectée sans problème dans la zone de la surface active du registre. La largeur du registre BCCD peut ainsi 8tre prévue minimale, ce qui présente un avantage particulier pour le groupement de registres BCCD en formant des surfaces, dans le cas des- quels des photo-détecteurs sans électrode sont disposés en- tre les différentes lignes, les registres BCCD n'étant sus- ceptibles d'être en contact qu'indi-iduellenment le long de la direction de transport. Il est particulièrement avantageux que les di- mensions importantes pour le fonctionnement du BOCCD, à sa- voir les longueurs des zones de transfert et de mémoire, soient fixées par la première configuration d'électrodes réalisée en une seule étape de structuration. Cela permet 8.- de réaliser sans problème une trame petite. Une trame minimale peut être évaluée de la façon suivante: la longueur d'intervalle minimale dans la première configuration d'électrodes est susceptible d'être structurée avec des méthodes classiques à environ 2/J m. La longueur minimale de l'électrode de la première confi- guration peut être réalisée en pratique avec 4 m. On ob- tient ainsi pour la structuration classique une trame mi- nimale pratique de 6 p m. les conceptions exposées ci-dessus pour la construction conformément à l'invention d'un registre BCCD peuvent être également appliquées d'une façon générale dans le sens de cette invention. La zone de transfert avec la couche d'arrêt de canal la recouvrant, et conjointement avec la zone de mémoire venant à la suite, qui est recou- verte d'une électrode alimentée de préférence par une ten- sion continue, mais pouvant être dans des cas déterminés de fonctionnement alimentée par des tensions pulsées, cons- titue un élément de base BOCD qui peut être avantageuse- ment mis en oeuvre dans différents types de BCCD. L'invention va être exposée plus en détail en se référant à un exemple de réalisation. Sur le dessin ci-joint sont représentées dif- férentes étapes de la variante du composant conforme à l'invention. On part d'un substrat de silicium de conductivi- té Po Bien entendu, l'invention peut également être réali- sée avec des substrats de conductivité n. Les dopages à introduire de façon appropriée sont alors respectivement du type de conductivité opposé. Par ailleurs, comme maté- riau d'électrode, le silicium polycristallin est indiqué. Bien entendu, d'autres matériaux appropriés, notamment des siliciures pourraient être utilisés. Des figures la à lc sont des coupes le long de la direction de transport du futur registre à décalage 9.- à couplage de charges. Dans un substrat auësilicium 10 de conductivité p, on introduit sur une grande surface dans les futures zones actives, un dopage n 11 (figure la)0 La dose de ce dopage n 11 est mesurée de façon que dans le futur fonctionnement du registre à décalage CCD, la zone 11 puisse être complètement appauvrie en porteur de charges mobiles. Les zones d'arrêt de canal nécessaires pour la délimitation latérale du registre à décalage ne sont pas visibles sur la coupe de la figure 1. Les zones d'arrêt de canal sont des zones avec un dopage suffisamment élevé p ou bien une combinaison d'un dopage élevé p avec un oxyde de champ épais. Les zones actives sont revêtues avec l'iso- lateur de porte 13. Une couche double de SiO2 cultivée ther- miquement et de Si3N4 déposée chimiquement, convient très bien comme isolateur de porte 13. La première configuration d'électrodes 12 est structurée à partir de la première cou- che de silicium polycristallin déposée et dopée. On réalise alors sur une grande surface l'implantation de bore, les électrodes 12 servant de masques, et il en résulte les zones 14 comportant un léger dopage p. Grâce à ces zones 14, on obtient les barrières de potentiel nécessai- res pour le futur fonctionnement en deux phases. A l'étape suivante, le masque de laque 16 est réalisé (figure lb), ce masque recouvrant chaque deuxiè- me intervalle entre les électrodes 12. Avec les implanta- tations venant à la suite de phosphore et de bore, le profil de dopage final dans les zones 15 et 17 est mis en place. Le bore est implanté relativement superficiellement, la dose de bore étant mesurée de façon que directement à partir de la surface du semi-conducteur jusqu'à une cer- taine profondeur à l'intérieur, il apparaisse une couche d'arrêt de canal 15. Le phosphore est implanté relative- ment profondément, la dose de phosphore étant mesurée de façon que, au cours du fonctionnement futur du registre BCCD, 10.- le potentiel dans les zones 17 atteigne pour un appauvris- sement complet en électrons, la valeur nécessaire pour une zone de transfert. Cette valeur de potentiel dépend égale- ment de la profondeur de pénétration de la couche d'arrêt de canal 15. Les implantations effectuées l'une après l'au- tre de phosphore et de bore doivent être accordées l'une à l'autre pour obtenir le potentiel nécessaire. Après dissolution du masque de laque, on ef- fectue une autre structuration de la première configuration d'électrodes. Chaque deuxième électrode 12, décomptée en direction longitudinale du futur registre BOCD, est enlevée par mordansage. Si on doit réaliser une très petite trame dans le registre BOCD, il est recommandé, lors de cette étape de mordansage, d'utiliser un agent de mordansage iso- trope. Il est ainsi possible de réduire la longueur des intervalles entre les électrodes 12 presque à la cote de recouvrement du masque de structuration. Citons un exemple: supposons que le masque de structuration doit recouvrir de 1,5 pm, à cause des tolérances d'ajustement, les bords de celles des électrodes 12 qui ne sont pas attaquées lors de cette étape de mordansage, alors la longueur d'intervalle peut alors être réduite jusqu'à environ 2pm. Dans le cas o le masque de structuration, pour des raisons de tolérances d'ajustement, recouvre encore d'étroites bandes de bordu- re d'électrodes à enlever par mordansage, ces bandes de bordure sont s rement enlevées en même temps à cause du mordansage isotrope. Ensuite, les électrodes 12 subsistantes sont revêtues d'un film isolant 28. Ceci peut s'effectuer par oxydation thermique du silicium polycristallin. Puis la seconde couche de silicium polycristallin est appliquée et à partir d'elle, la configuration d'électrodes 18 est structurée (voir figure 1c). Le dopage des électrodes 18 en silicium polycristallin peut s'effectuer pendant la future diffusion de source et de drain à réaliser. 11.- La structuration de la seconde couche de silicium polycristallin est relativement grossière, et le long de la direction de transport du registre BCCD les électrodes 18 peuvent rester cohérentes. Pour la finition du registre BOCD, on réalise les étapes classiques telles que la diffusion de la source et du drain, le dép8t de siloxane, la structuration de fenêtres de contact, et l'application d'un plan de pistes conductrices en aluminium. Pour le fonctionnement, une succession d'im- pulsions de synchronisation est appliquée aux électrodes 18, tandis que les électrodes 12 sont alimentées avec une tension continue qui est à peu près égale à la moyenne arithmétique entre le niveau élevé et le niveau bas des impulsions de synchronisation. Les zones 17 sont les zones de transfert pour les zones de mémoire 11 venant à la suite qui sont recouvertes par les électrodes 12. les zones de transfert 17 sont protégées par la couche d'arrdt de canal 15 contre les champs électriques en provenance de l'électrode 18. Sur la figure Id sont représentés les poten- tiels maximaux dans le canal vide de transport de charges. Dans la zone de transfert 17 et dans la zone de mémoire 11 recouverte par l'électrode 12, le potentiel présente le tra- cé 19. Dans la zone contrô8lée par l'électrode 18, le poten- tiel varie au rythme de la tension de synchronisation du tracé 20 pour le niveau bas au tracé 21 pour le niveau élevé. 12. - REVENDICAT I 0 N S 1.- Composant à couplage de charges avec canal volumique (BCCD) caractérisé en ce que dans un registre BCCD il-est simultanément prévu des zones (17) de transfert dans lesquelles l'évolution du potentiel est fixée d'une part par une électrode disposée par dessus, et, d'autre part, par une couche plate d'arrêt (15) de canal recouvrant la zone de transfert, tandis que l'évolution du potentiel dans l'ensemble des zones de mémoire (11) est déterminée par des électrodes disposées par dessus, et que la zone de transfert avec la couche plate d'arrêt de canal la recouvrant conjointement avec une couche de mémoire commandée par une électrode de la première confi- guration, constitue un premier type de cellules, tandis que l'autre type de cellules comprend une zone de transfert et une zone de mémoire qui sont commandées en commun par une électrode de la seconde configuration, et que l'ensemble des zones de transfert et de mémoire auto-ajustées sont asso- ciées au premier plan d'électrodes. 2.- Composant à couplage de charges avec canal volumique (BCCD) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'après la structuration d'un premier plan d'élec- trodes de grande surface (avec la première configuration d'électrodes comme masque) un dopage de barrières {dopage du type de conductivité du substrat) est appliqué et qu'ensuite un masque supplémentaire, de préférence en photolaque est structuré de sorte qu'en comptant en direc- tion longitudinale du futur registre BCCD, chaque second intervalle entre les électrodes de la première configuration n'est pas recouvert de ce masque supplémentaire, deux implantations successives de dopants avec un type de conductivité inverse par rapport au substrat et de dopants du type de conductivité du substrat étant effectuées dans ces intervalles non recouverts, de sorte que d'une part, prennent naissance dans ces intervalles, des zones volu- 13.- miques qui serviront de zones de transfert lors de l'ex- ploitation ultérieure du BCCD et que,d'autre part, ces zones volumiques sont recouvertes sur la surface semi- conductrice par une couche plate d'arrêt de canal et qu'ensuite, dans une seconde structuration, de la premiere configuration d'électrodes, chaque seconde électrode décomptée en direction longitudinale du futur r'egistre BCCD est enlevée et que finalement, un second plan d'électrodes électriquement isolé par rapport à la première configura- tion d'électrodes est appliqué, la seconde configuration d'électrodes structurée à partir de là pouvant être cohé- rente en direction longitudinale du futur registre BCCD. 3.- Composant à couplage de charges avec canal volumique (BCCD) selon la revendication 1, caractérisé en ce que quelques unes des zones de transfert sont réali- sées avec une couche d'arrêt de canal les recouvrant, et que ces zones de transfert sont mises en oeuvre seules ou bien conjointement avec des zones de mémoire venant à la suite qui sont recouvertes par une électrode. 4.- Composant à couplage de charges avec canal volumique (BCCD) selon l'une quelconque des revendi- cations 1 et 2, caractérisé en ce qu'on utilise comme matériau d'électrodes, du silicium polycristallin ou bien des siliciures.