Brevet FR2569486A1 — publié le 19860228

1. - "Composant à couplage de charges (CCD) notamment dans l'application de la mnicro-électronique" L'invention est relative à un nouveau concept pour la réalisation d'un composant à couplage de char- geso Des composants de cette sorte trouvent de multiples applications dans la micro-électronique et dans l'opto- électronique, aussi bien sous la forme de lignes indivi- duelles 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 avantageux du point de vue de leur commande. Dans une variante de réa- lisation connue, voir par exemple la série des types Fairchild-CCD comme également les composants L 110, L 133 et L 211 de la VEB WF Berlin, les électrodes de mémoire sont réalisées avec un premier plan de silicium polycris- tallin tandis que les électrodes de transfert sont réali- sées avec un deuxième plan de silicium polycristallin. Les électrodes de transfert recouvrent alors les intervalles structurés entre les électrodes de mémoire. Avant le dé- pôt 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 électrodes de mémoire, grâce à quoi les zones de barrières de potentiel nécessaires pour le futur fonctionnement en deux phases, sont fixées. Une électrode de mémoire et une électrode de transfert constituent respectivement une paire d'électrodes. 2.- Les paires d'électrodes sont alternativement reliées à la première et à la seconde phases de synchronisation. A cet effet, chacune des électrodes de mémoire doit être séparée électriquement des électrodes de mémoire voisines. La même exigence est valable pour les électrodes de transfert. En outre, l'isolation entre les électrodes de mémoire et les électrodes de transfert qui les chevauchent mais qui sont toutefois reliées à l'autre phase de syncironi- sation, doit être parfaite. Ces dernières exigences ne sont pas toujours réalisables de façon simple au cours du processus technolo- gique. La séparation électrique des électrodes de transfert entre elles n'est souvent pas obtenue du fait de l'aopari- tion ou de la persistance de ce que l'on appelle des fils de silicium polycristallin. Il y a déjà dans la littérature spécialisée, des propositions, par exemple selon les docu- ments US-PS 4 027 381, 4 027 382 et 4 035 906, pour ajuster dans un CCD à deux phases les électrodes de chaque phase de synchronisation à partir respectivement d'un seul plan d'élec- trodes appliqué, et éviter ainsi ce problème, tout comme celui de l'apparition de fils de silicium polycristallin. On applique alors principalement deux variantes de base: 1. étages de porte à oxyde en combinaison avec une implanta- tion de barrières, 2. une première implantation de barrières avant le dép8t du premier plan d'électrodes, l'implant étant ultérieurement absorbé en majeure partie par l'oxyde sur certaines zones partielles à la suite d'un processus d'oxydation, puis on procède à la suite à une seconde implantation de bar- rières. Des technologies de ce type sont compliquées. Com- me l'absorption d'un implant de barrières par un oxyde ne se réalise pas complètement, des problèmes surviennent du fait des potentiels non homogènes dans la cellule CCD réa- lisée. La trame la plus petite possible est déterminée 3,- dans la technologie précitée, o les électrodes de-trans- fert recouvrent les intervalles structurés entre les électrodes de mémoire, par les longueurs d'intervalles mi- nimales susceptibles d'être réalisées et par le chevauche- ment minimal nécessaire entre les électrodes de mémoire et les électrodes de transfert. Si, par exemple, la lon- gueur minimale des intervalles entre les électrodes de transfert est de 4 / m, le chevauchement minimal de 2 m, on obtient 8 Nm comme longueur minimale pour les élec- trodes de mémoireo Pour un intervalle de4, m entre les électrodes de mémoire, on a ainsi une trame minimale de 12 / mo Le but de l'invention est d'éviter les in- convénients afférents à l'état connu de la technique sans 1 5 augmenter la dépense technologique dans une mesure injus- tifiableo Le problème posé à l'invention est de cons- truire un CCD à deux phases avec des zones de barrièrea auto-ajustées, auquel cas, avec une technologie relative- ment peu compliquée, une séparation électrique des élec- trodes structurées à partir d'un plan n'est pas nécessai- re et on peut obtenir en outre une trame petite. Pour résoudre ce problème, on utilise, con- formément à l'invention, trois plans d'électrodes, le deuxième plan d'électrodes n'étant pas isolé du premier plan d'électrodes. En outre, sur des parties du substrat o tout d'abord a été introduit un implant de barrières, un potentiel approprié pour la mise en mémoire de sup- port de charges a été à nouveau obtenu par un implant de compensation introduit ultérieurement. Un substrat semi-conducteur est revêtu d'un film isolant approprié, sur lequel est déposé un premier plan d'électrodes. Auparavant, on peut introduire dans le substrat une zone de dopage du type de conductivité in- verse de celui du substrat, pour garantir un transport 4.- de la charge de signal dans un canal volumique (CBOCD). Si cette zone de dopage est absente, le transport de char- ges aura lieu sur la surface. Précédemment également, des zones d'arrdt de canal appropriées peuvent avoir été introduites. Une première configuration d'électrodes est structurée à partir du premier plan d'électrodes. Ce pre- mier plan d'électrodes contrôle dans le fonctionnement futur des zones de mémoire. Ensuite, une implantation avec un dopant du type de conductivité du substrat est réalisée sur une grande surface. La première configuration d'électrodes sert alors de masque d'implantation. Le dosage et l'éner- gie de cette implantation sont de préférence choisis de façon que les zones munies de cette implantation et qui ne sont pas concernées par le dopage de compensation devant être examiné ultérieurement, puissent servir lors de l'exploitation du futur registre CCD de zones de trans- fert, c'est-à-dire qu'une barrière de potentiel vis-à- vis des zones de mémoire est engendrée dans ces zones. On dépose ensuite un deuxième plan d'électrodes qui n'a pas besoin d'être isolé de la première configuration d'électrodes. La deuxième configuration d'électrodes est structurée à partir de ce second plan d'électrodes, de façon que respectivement une électrode de la deuxième con- figuration chevauche une électrode de la première configu- ration sur un côté. Dans la direction de transport du registre CCD, il est alors prévu à ce stade entre les dif- férentes paires d'électrodes du premier et du second plans, une surface exempte du matériau d'électrodes. Ensuite, par l'intermédiaire d'un masque approprié, qui peut par exemple 8tre réalisé en photolaque, un dopant d'un type de conductivité inverse de celui du substrat est implanté sur une partie de la zone non recouverte par le matériau d'électrodes. 5.- Le dosage et l'énergie d'implantation sont alors mesurés de façon que l'effet engendrant des bar- rières de potentiel du dopant de type de conductivité du substrat précédemment implanté (lors de cette dernière implantation) est compensé. Pour cette compensation, il n'est pas nécessaire que le profil d'implantation du do- page de compensation soit identique au profil des dopants précédemment implantés du type de conductivité du substrat. Il suffit que le potentiel dan les zones intéressées par le dopage de compensation, atteigne lors de l'exploita- tion du futur registre CCD, une valeur suffisante pour la mise en mémoire de support de charges, c'est-à-dire que ces zones en cas d'exploitation, puissent servir de zones de mémoire. Le masque d'implantation a, pour la première et la seconde configurations d'électrodes, le positionne- ment de principe suivant: on masque une bande qui se rac- corde auxc8téde l'électrode de la première configuration qui ne sont pas recouverts par les électrodes de la deu- xième configuration. Le long de la direction de transport du registre CCD, on a après réalisation du dopage de com- pensation, la succession de zones décrite ci-après: l'élec- trode de la deuxième configuration avec dopage de barrières située en dessous, l'électrode de la première configura- tion avec dopage "mémoire" située en dessous, zone exempte d'électrode avec dopage de barrières, zone exempte d'élec- trode avec dopage de barrières plus dopage de compensation, électrode de la deuxième configuration avec dopage de bar- rières située en dessous, etc.... Les paires d'électrodes du premier et du se- cond plans sont maintenant recouvertes avec un film iso- lant approprié. Ensuite, le troisième plan d'électrodes est appliqué et à partir de lui, la troisième configura- tion d'électrodes est structurée. Cette structuration est relativement grossière, et cette troisième configuration peut rester cohérente le long de la direction de transport du registre CCD. Ensuite s'effectuent les étapes classiques telles que l'introduction de zones de source et de drain, le dépôt éventuel d'autres couches isolantes, la structu- ration de fenêtres de contact et le dépôt ainsi que la structuration d'un plan de pistes conductrices. En fonc- tionnement du registre CCD, l'ensemble des paires d'élec- trodes du premier et du second plans sont raccordées à la première phase de synchronisation et l'ensemble de la troisième configuration d'électrodes est raccordé à la seconde phase de synchronisation. Comme chacun des plans d'électrodes déposés se situe sur une phase unique, il n'est pas besoin d'effectuer à l'intérieur d'un plan une séparation électrique des différentes électrodes l'une de l'autre. Il n'y a pas dans le cas de la présente inven- tion les problèmes qui se manifestent du fait des fils de silicium polycristallin dans le cas des solutions techni- ques connues précédemment exposées. La troisième configuration d'électrodes n'a pas besoin de présenter une "structuration fine" le long du registre CCDo Ceci simplifie la fabrication. Les barrières de potentiel efficaces dans le registre CCD sont comme cela ressort clairement de l'ex- posé précédent, introduites de façon auto-ajustée. Un CCD à deux phases sans un tel auto-ajustement serait affec- té d'inconvénients trop importants. Cependant, l'établissement des contacts est simplifié et peu encombrant. La troisième configuration d'électrodes peut en l'absence d'une "structure fine" as- surer sans problème le contact dans la zone de la surface active du registre. La largeur du registre CCD peut ainsi être prévue minimale ce qui présente un avantage particu- lier lors d'ensembles formant une surface de registres CCD, 7V- dans lesquels des photo-d6tecteurs sans électrode sont disposés entre les différentes lignes, les registres CCD étant ainsi seulement susceptibles d'être mis en contact individuellement le long de la direction de transport. Le concept précédemment exposé du dopage de compensation, le terme compensation s'appliquant au poten- tiel, peut dans l'esprit de cette invention, être égale- ment utilisé de façon générale. C'est ainsi qu'il est par exemple souvent nécessaire de réaliser sous différentes électrodes des zones engendrant des barrières à potentiel auto-ajustées. Pour un tel but, la deuxième configuration d'électrodes évoquée ne devrait pas à l'intérieur du pro- cessus précédemment décrit, chevaucher la première confi- guration, ou bien il n'y a pas besoin d'une première con- figuration d'électrodes. Après la réalisation du dopage de compensation, il y a alors sous les électrodes de la seconde configuration, des zones engendrant des barrières de potentiel auto-ajustées. D'une façon particulièrement avantageuse, on peut grâce au-concept exposé dans ce document, construire des BCCD pour lesquels des zones partielles sont recou- vertes par des couches superficielles (verticales) d'ar- rêt de canal. Un exemple d'un tel BCCD est décrit dans le document US-PS 4 229 752 oh la couche d'arrêt de canal extrêmement mince utilisée est désignée sous le nom de "phase virtuelle". La réalisation du BCCD est alors poursuivie de façon que les deux premières configurations d'électro- des non isolées l'une de l'autre, soient structurées et que l'implant de compensation soit introduit. Ensuite, sans masque supplémentaire, un dopant d'un type de conduc- tivité inverse de celui du substrat est implanté avec une énergie élevée et un dopant du type de conductivité de substrat est implanté avec une énergie plus basse. Le do- pant du type de conductivité du substrat est positionné 8. - dans la zone superficiale du semi-conducteur. La couche d'arrêt de canal superficielle prenant alors naissance protège l'intérieur du semi-conducteur contre les champs extérieurs. Un troisième plan d'électrodes supplémentaire est superflu. Le dopant d'un type de conductivité inverse de celui du substrat introduit en supplément assure le potentiel nécessaire dans le canal volumique de la zone recouverte par la couche superficielle d'arrêt de canal. Sur les deux premières configurations d'élec- trodes non isolées l'une de l'autre, on applique la ten- sion de synchronisation. Il y a lieu de remarquer expres- sément que pour le CCD à deux phases réalisé conformément à la présente invention, des étages ne sont pas nécessaires dans l'isolement de porte. Par exemple, on peut fonctionner avec une double couche d'oxyde et nitrure déposée en une seule fois sur le substrat. Dans le cas o il est prévu une couche d'arrêt de canal superficielle (verticale), un oxyde cultivé en une seule fois serait déjà suffisant comme isolateur de porte. Une trame minimale peut être évaluée comme suit: le chevauchement des électrodes du second plan par celles du premier plan est au minimum de 2 Fm. Comme le bord des électrodes du second plan peut être ajusté sur le milieu des électrodes du premier plan, on obtient comme longueur de porte minimale pour les électrodes du premier plan une valeur de 4pm. Avec une zone de barrières de 4,m de longueur, il en résulte une trame minimale de 8. m. L'invention va être exposée en se référant à un exemple de réalisation à l'aide des dessins ci-joints dans lesquels: - - la figure 1 montre différentes étapes de la fabrication d'une première variante de réalisation, - la figure 2 montre une seconde variante de réalisation. 9.- Dans l'exemple de réalisation, on part d'un substrat de silicium de conductibilité p. Bien entendu, l'invention peut également être réalisée avec des subs- trats de conductibilité n. Les dopages appropriés à in- troduire sont alors respectivement du type de conductivité opposé. En outre, du silicium polycristallin est indiqué comme matériau d'électrodes. Bien entendu, d'autres maté- riaux appropriés, notamment des siliciures pourraient Otre également utilisés, Les figures la à lc sont des coupes le long de la direction de transport du futur registre à déca- lage à couplage de charges. Sur un substrat de silicium de conductivité p 10, est introduit sur une grande surface et sur les futures zones actives, un dopage n 11 (figure la). Le dosage de ce dopage n 11 est mesuré de façon que lors de la future exploitation du registre à décalage CCD, la zone 11 puisse être complètement appauvrie en porteurs de charges mobiles Les zones d'arrêt de canal nécessaires pour la délimitation latérale du registre à décalage, ne peuvent pas être représentées sur les vues en coupe des figures 1 et 2. Les zones d'arrêt de canal sont des zones compor- tant un dopage p suffisamment élevé ou bien une combinai- son de dopage p avec un oxyde de champ épais. Les zones actives sont revêtues avec l'isolateur de porte 15. Une double couche de Si02 cultivée thermiquement et de Si3N4 déposée chimiquement convient très bien comme isolateur de porte 13. A partir de la première couche de silicium polycristallin ainsi déposée et dopée, on structure la première configuration d'électrodes 12. Ensuite s'effec- tue sur une grande surface une implantation de bore, les électrodes 12 servant de masque, il en résulte les zones 14 comportant un léger dopage p. Grâce à ces zones 14 des barrières de potentiel nécessaires pour le fonctionnement futur à deux phases, sont obtenues0 10.- A l'étape suivante la seconde couche de silicium polycristallin est déposée, dopée et à partir d'elle, la configuration d'électrodes 15 est structurée (voir figure lb). Entre les électrodes 15 et les élec- trodes 12 aucune isolation n'est nécessaire. Après réa- lisation du masque de laque 16, une implantation de phos- phore est effectuée. Par suite du masquage par l'inter- médiaire des électrodes 12 et 15 ainsi que par le masque de laque 16, l'implant ne parvient que dans les zones 17 dans le substrat semi-conducteur. Le dosage et l'énergie de cette implantation de phosphore sont mesurés de façon que l'effet de géné- ration de barrières de potentiel des zones 14 soit compensé dans les zones 17 atteintes par l'implantation de phosphore. Pour cette compensation, il n'est pas néces- saire que le profil d'implantation de cette implantation de phosphore soit identique au profil de l'implantation de bore engendrant les zones 14. Il suffit que le potentiel dans les zones 17 par action de l'implantation de phosphore et de bore ainsi que du dopage de canal introduit dans une étape précédente du procédé, atteigne, lors du fonctionne- ment CCD, à peu près la même valeur que dans les zones 11. Après dissolution du masque de laque 16, les électrodes 12 et 15 sont revêtues en commun d'un film iso- lant 28. Ceci peut s'effectuer par oxydation thermique du silicium polycristallin. La troisième couche de silicium polycristallin est alors déposée et, à partir d'elle, la configuration d'électrodes 18 est structurée (voir figure lc). Le dopage des électrodes de silicium polycristallin 18 peut s'effectuer pendant la diffusion ultérieure à ef- fectuer de la source et du drain. La structuration de la troisième couche de silicium polycristallin est relativement grossière et l'électrode 18 peut rester cohérente le long de la direc- tion de transport du registre CCD, 11.- Pour compléter la finition du registre CCD, on effectue les étapes classiques telles que la diffusion de la source et du drain, le dépft de siloxane, la struic turation de fenêtres de contact et le dépôt d'un plan de pistes conductrices en aluminiumX Pour le fonctionnement. la première phase de synchronisation est appliquée à l'électrode 18 et l'au- tre phase de synchronisation est appliquée aux électrodes 12 et 15 reliées de façon à avoir une conductibilité commu- ne. Sur la figure ld sont représentés les potentiels maxi- maux dans le canal vide de transport de charges en suppo- sant qu'aux électrodes 12 et 15 est appliqué un potentiel de courant continu (par exemple 6 V) et qu'à l'électrode 18 est appliquée une tension pulsée (par exemple U ha-s= 0V, Uhaut = 12 V). Sous les électrodes 12 et 15, le potentiel a alors le tracé 19, dans lequel la zone con- tr8lée par l'électrode 18, change le potentiel au rythme de la tension de synchronisation du tracé 20 pour 'ias au tracé 21 pour Uhaut' Sur la figure 2a, est esquissée la constitu- tion d'une seconde variante de réalisation dans laquelle des zones partielles sont recouvertes d'une couche dtarrèt superficielle de canal. Le CCD est ensuite, comme décrit dans la première variantes réalisé jusqu'à l'étape repré- sentée sur la figure ld. Après dissolution du masque de laque 16, une implantation de phosphore à haute énergie est effectuée. Les électrodes 12 et 15 servent alors de masques. Le dosage est mesuré.de façon que lors du fonc- tionnement extérieur, le potentiel maximal dans le canal de transport vide de la charge de la zone 22, atteigne à peu près une valeur 25 que l'on voudrait maintenir dans la zone 11 lorsque l'électrode 12 est à un potentiel con- tinu (par exemple 6 V) qui correspond à la moyenne arithmé- tique entre le niveau haut et le niveau bas de la varia- tion nécessaire de la tension de synchronisation. L'implan- 12.- tation de bore effectuée à la suite avec une énergie plus basse engendre une couche superficielle d'arrêt de canal 24 de conductibilité p dans la partie superficielle immédiate des zones non masquées du semi-conducteur, uni- quement revêtues de l'isolateur de porte. La couche 24 est reliée aux zones d'arrêt de canal servant à la déli- mitation latérale et se situe ainsi électriquement au pot tentiel du substrat. Une troisième configuration d'élec- trodes est superflue. les zones de dopage 23 engendrent à peu près les mêmes barrières de potentiel que les zones 14 lorsque la couche 24 est extrêmement mince. Lorsque l'ex- tension en profondeur de la couche 24 n'est pas négligea- ble par rapport à la profondeur de la zone de dopage 14, la barrière de potentiel engendrée par la zone 23 est alors plus petite que celle résultant de la zone 14. Pour compléter la finition du registre CCD esquissé sur la figure 2a, on effectue les étapes classiques telles que celles évoquées ci-dessus en ce qui concerne la première variante de réalisation. Soulignons que les électrodes 12 et 15 ne doivent pas être oxydées thermiquement. Pour as- surer l'isolation vis-à-vis du plan des pistes conduc- trices en aluminium, la couche de siloxane habituellement déposée suffit. Lors du fonctionnement de la seconde varian- te, la phase de synchronisation est appliquée aux électro- des 12 et 15 (reliées ensemble). Sur la figure 2b sont représentés les tracés du potentiel maximal dans le canal de transport vide. Le tracé 26 s'établit lorsque le niveau bas de la tension de synchronisation est appliquée aux électrodes 12 et , le tracé 27 résulte de l'action du niveau haut. Le tracé 25 est déterminé par la couche mince 24 à conduc- tibilité p se situant au potentiel du substrat et par les dopages se situant au-dessous d'elle. 13. - R E V E N D I C A T I O N S 1;- Composant à couplage de charges, carac- térisé en ce qu'après structuration d'un premier plan d'électrodes de grande surface (avec comme masque la premiè- re configuration d'électrodes) (12), un dopage n 11 engen- drant des barrières de potentiel (dopage du type de conducti- vité du substrat) est introduit et ensuite un deuxième plan d'électrodes (15) est appliqué, les électrodes structu- rées à partir de ce deuxième plan chevauchant partiellement celles du premier plan et n'ayant pas besoin d'être isolées de celles-ci, tandis que dans certaines zones de substrat, ou a été tout d'abord introduit un dopage de barrières, on introduit ce que l'on appelle un dopage de compensation (du type de conductivité opposé à celui du substrat), les deux premières configurations d'électrodes ainsi qu'un masque supplémentaire étant alors utilisés pour le masquage, la dose et le profil du dopage de compensation précité étant choisis de façon que les zones concernées par le dopage de compensation puissent remplir la fonction de zones de mémoire d'un registre à décalage CCD, c'est-à-dire que lors'de l'exploitation ultérieure du composant, un poten- tiel convenable pour la mise en mémoire de supports de charges puisse être obtenu dans le canal de transport de charges des zones concernées par le dopage de compensation. 2.- Composant à couplage de charges selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour l'ajuste- ment du potentiel nécessaire dans les zones actives non recouvertes par le premier et le second plans d'électrodes, on dépose un troisième plan d'électrodes, cette troisième configuration d'électrodes revêtant avantageusement sur la totalité de la zone du registre à décalage CCD, la forme d'une couche cohérente. 3.- Composant à couplage de charges selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour l'ajuste- ment du potentiel nécessaire dans les zones actives non 14.- recouvertes par le premier et par le second plans d'élec- trodes, on introduit une couche superficielle d'arrêt de canal (du type de conductivité substrat) dans la zone superficielle du semi-conducteur, grâce à quoi on écono- mise dans ces zones une électrode de recouvrement. 4.- Composant à couplage de charges selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'en dessous de différentes électrodes on réalise des zones autoajustées engendrant des barrières de potentiel, en ce que, après introduction (sur une grande surface) d'un dopage de barrières (dopage du type de conductivité du substrat) on applique un plan d'électrodes, on structure à partir de ce plan les différentes électrodes et finale- ment on introduit le dopage de compensation évoqué dans la revendication 1, les différentes électrodes (ainsi que d'autres couches structurées éventuelles) étant utilisées pour le masquage.