Brevet FR2582136A1 — publié le 19861121

-1- PHF85/540A13 DISPOSITIF A TRANSFERT DE CHARGES MUNI D'ORGANES SELFIQUES L'invention concerne les dispositifs à transfert de charges comprenant N éléments-mémoire dans lesquels les charges stockées sont transférées à l'aide de 4 horloges is- sues d'un générateur d'horloges, les 4 horloges étant appli- quées sur chaque élément-mémoire à l'aide de 4 plots de con- tact, sur chacun desquels apparaissent une capacité Ce entre plots voisins et une capacité Cs entre un plot et le substrat du dispositif à transfert de charges. L'invention concerne également les applications de tels dispositifs à transfert de charges, par exemple dans le traitement du signal en oscilloscopie numérique, ou dans le traitement d'images. Un dispositif à transfert de charges (DTC) est un registre à décalage pour des signaux analogiques. Sous sa for- me la plus simple, il est formé d'un substrat monocristallin semiconducteur sur lequel sont placées différentes électrodes isolées du substrat par des couches d'oxydes. Le substrat est généralement du silicium et l'isolant est de l'oxyde de sili- cium. Sous chaque électrode apparaissent des paquets de char- ges, celles-ci étant injectées à l'aide d'un contact électri- que sous le contrôle d'une horloge. Le dispositif à transfert de charges stocke les échantillons du signal sous la forme de paquets de charges, puis les transfère, en parallèle, jusqu'à un amplificateur de charges, tout en gardant les paquets de charges isolés les uns des autres. Selon les technologies uti- lisées, les transferts sont effectués à l'aide de deux, trois ou quatre électrodes consécutives pour chaque élément-mémoire. Sur ces électrodes sont appliqués des signaux d'horloges dont la tension varie périodiquement et qui ont deux trois ou qua- tre phases selon le nombre d'électrodes. Il se crée ainsi des -2- PHF85/540A13 puits de potentiel sous chaque électrode qui sont translatés progressivement sur toute la ligne d'éléments-mémoire produi- sant le mécanisme de transfert des charges d'une électrode vers la suivante. Cependant, il y a lieu d'assurer une grande ca- pacité de stockage de charges et de réduire les effets des états de surface. Pour cela la plus grande partie de la char- ge est transférée dans une zone à dopage élevé près de la sur- face sous l'action du champ électrique auto-induit et le res- te des charges est transféré dans une zone plus profonde du cristal à dopage plus faible sous l'action d'un champ électri- que externe. Il s'agit alors d'un dispositif à transfert de charges péristaltique (PCCD) qui peut encore avoir un rende- ment de transfert amélioré en effectuant un dopage profilé pour diminuer le rôle des états de surfaces. On obtient alors un dispositif à transfert de charges péristaltique profilé (P2CCD). Ces dispositifs ont un rendement de transfert attei- gnant 0,999999 et une fréquence maximale d'horloge de 1,5 GHz. Les circuits pour la génération des quatre horlo- ges d'un dispositif P2CCD à quatre phases doivent donc déli- vrer des signaux ayant des transitions très rapides entre les niveaux de tension et ceci pour des charges capacitives qui sont importantes. Ces charges capacitives ont des valeurs telles qu'aux fréquences supérieures, par exemple à 100 MHz, la réa- lisation du générateur d'horloges présente de grandes dif- ficultés ce qui ne permet pas d'utiliser les dispositifs à transfert de charges aux environs de leurs propres fréquences maximales de fonctionnement. Un tel dispositif à transfert de charges a été décrit dans l'article intitulé: "P2CCD in 60 MHz oscillo- scope with digital image storage" de H. DOLLEKAMP, L. ESSER, H. DE JONG, PHILIPS TECH. REV. (1982)vol. 40, n 2/3, pages à 68. Il y est décrit un oscilloscope utilisant un disposi- tif à transfert de charges effectuant l'échantillonnage et la -3- PHF85/540A13 mémorisation du signal d'entrée, puis le transfert des échan- tillons acquis vers un organe de sortie. Cet article montre que dans le cas d'un dispositif à transfert de charges de type P2CCD muni de quatre horloges, l'opération de transfert de charges ne peut guère dépasser des fréquences de fonctionne- ment supérieures à 180 MHz - alors que le DTC pourrait intrin- sèquement fonctionner à 1,5 GHz - car les circuits de généra- tion des horloges ne peuvent opérer à des fréquences plus éle- vées eu égard aux fortes impédances capacitives présentées par la zone de transport du DTC. Cette limite de 180 MHz peut être légèrement améliorée, mais au prix d'un très fort accroisse- ment de la dissipation des circuits de génération des horlo- ges, ce qui nuit aux applications elles-mêmes. Par contre la génération d'horloges rapides, pour des impédances de charge qui sont sensiblement résistives, ne pose pas de grandes difficultés dans la gamme de fréquences envisagée. Un but de l'invention est donc de déterminer une structure de dispositif à transfert de charges pour laquelle les impédances de charge, présentées par les connexions d'hor- loges du DTC au générateur de signaux d'horloges, sont sensi- blement résistives. Pour cela l'invention telle que définie dans le préambule est remarquable en ce qu'à chacun des 4 plots de contact d'un élément-mémoire est connecté une des extrémités de deux organes selfiques LA et LB, de telle sorte que l'autre extrémité de l'organe selfique LB étant chargée par une impé- dance de nature résistive Zc, l'impédance présentée par l'au- tre extrémité de l'organe selfique LA soit aussi de nature ré- sistive. Elle est également remarquable en ce que les plots de contact contrôlés par une même horloge sont regroupés entre eux, en chaîne, par groupes de transport, l'autre extré- mité de l'organe selfique LB relié à un plot étant réunie à l'autre extrémité de l'organe selfique LA du plot suivant, la -4- PHF85/540A13 dernière autre extrémité du dernier organe selfique LB de cha- que groupe de transport étant réunie à une impédance résistive de charge Zc. Un dispositif à transfert de charges va présen- ter sur les connexions d'horloges des capacités parasites de différentes origines. Un dispositif à transfert de charges, avec 4 horloges hi, h2, h3, h4, présentes respectivement sur 4 électrodes consécutives pl, p2, p3, p4, va présenter, pour un élément-mémoire donné, des capacités d'interconnexion entre les électrodes pl et p2, entre les électrodes p2 et p3, entre les électrodes p3 et p4, et entre les électrodes p4 et p'l, o p'l reçoit la même horloge que l'électrode pl mais appartient à l'élément-mémoire suivant. De la même façon chaque électrode pl, p2, p3 ou p4 va présenter par rapport à la masse, et pour un élément-mémoire unique, quatre capacités Cs. Pour un élément-mémoire donné, il apparait ainsi huit sources de capacités interconnectées entre elles. Lorsque tous les éléments-mémoire sont reliés en série, pour consti- tuer par exemple un DTC avec 256 éléments-mémoire, la capaci- té totale devient élevée, et dans certains cas prohibitive, eu égard aux fréquences de fonctionnement considérées. Ainsi la capacité totale qui peut se présenter sur chaque connexion d'horloge peut être de 25 pF environ. Pour réduire cette capacité totale, l'invention réalise i'interconnexion des éléments-mémoire reliés à la même horloge en associant à chaque plot de contact des organes sel- fiques qui compensent la charge capacitive afin que l'impédan- ce présentée à l'entrée du dispositif à transfert de charges soit une impédance sensiblement résistive. Cette impédance ré- sistive est l'impédance caractéristique du quadripole composée par l'impédance capacitive du plot et par les organes selfi- ques. Tous les N éléments-mémoire consécutifs sont ain- si connectés entre eux, et le dernier à la charge résistive Zc, par les organes selfiques. Il est souhaitable de réunir -5- PHF85/540A13 deux organes selfiques LA et LB adjacents en un seul organe selfique. Le dispositif à transfert de charges possédant 4 phases et N élémentsmémoire, il y aura donc 4(N+l) éléments selfiques. Il est possible de réunir les N éléments-mémoire, chacun ayant 8 organes selfiques, selon un regroupement judi- cieux facilitant l'organisation du circuit et la réalisation des masques pour l'obtention du circuit intégré final. Ainsi les N éléments-mémoire sont organisés en j groupes de trans- port qui comportent chacun k éléments-mémoire avec 1 et N > k > 1. Selon un mode préférentiel de réalisation les or- ganes selfiques sont constitués d'une self obtenue à l'aide d'un dépôt conducteur spiralé. Le dépôt conducteur spiralé est préférentiellement de même nature que le conducteur réalisant les interconnexions entre les électrodes d'horloges et les électrodes d'horloges elles-mêmes. Ainsi la réalisation des conducteurs spiralés, des électrodes d'horloges et des inter- connexions entre les électrodes d'horloges peuvent être menées à l'aide du même masque. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée suivante, illustrée à l'aide de figures, données à titre d'exemples non limitatifs, et qui représen- tent: Figure 1: une représentation schématique de deux éléments-mémoire d'un dispositif à transfert de charges (DTC) à quatre phases o sont figurées les capacités parasites. Figure 2: un schéma électrique équivalent repré- sentant l'interconnexion de ces capacités parasites pour une cellule élémentaire. Figure 3: un diagramme des temps pour l'applica- tion des horloges. Figure 4: un schéma électrique équivalent repré- sentant, selon l'invention, l'interconnexion des schémas élec- triques équivalents selon la figure 2 pour une suite de cellu- les élémentaires à l'aide d'inductances de liaison. -6- PHF85/540A13 Figure 5: un exemple d'organe selfique constitué par une inductance spiralée. La figure 1 donne une représentation schématique- de deux éléments-mémoire consécutifs 1On, 10n+l d'un disposi- tif à transfert de charges (DTC) à quatre horloges hi, h2, h3, h4, respectivement présentes sur les connexions 1, 2, 3, 4. L'élément-mémoire lOin de rang n possède des électrodes pin, P2n, P3n, P4n reliées respectivement aux connexions 1, 2, 3, 4. Ces électrodes sont déposées en surface d'un substrat 20 dans lequel sont réalisés les différents dopages nécessaires à la réalisation d'un dispositif à transfert de charges (DTC) selon l'art connu. Différentes capacités parasites apparaissent dans un tel DTC. Ce sont les capacités: 12n entre les électrodes pin et P2n, 14n entre les électrodes P2n et p3n, 16n entre les électrodes p3n et P4n et 18n entre les électrodes P4n et Pln+l. Ces capacités 12n, 14n, 16n 18n ont sensiblement des valeurs égales et sont appelées Ce dans la suite de la des- cription. Entre chaque électrode et le substrat apparaissent des capacités lin, 13n, 15n, 17n, là encore de valeur sensi- blement identique pour chaque électrode, appelées Cs dans la suite de la description. La figure 2 est un schéma électrique équivalent représentant l'interconnexion des capacités Ce et Cs entre elles pour un élément mémoire du DTC. Ce schéma indique la complète symétrie qu'il y a dans l'interconnexion des diffé- rentes capacités. Dans le mode habituel de fonctionnement d'un DTC, il existe la particularité que l'horloge h3 est l'inverse de l'horloge hi, de même que l'horloge h4 est l'inverse de l'horloge h2. On a donc h3 = hi et h4 = h2. Les deux horloges hi et h2 sont décalées dans le temps. Le diagramme des temps est représenté sur la figure 3. En régime dynamique, le schéma équivalent de la figure 2 présente donc une symétrie supplé- mentaire avec des signaux d'horloges en opposition de phase sur chacune des diagonales représentées. -7- PHF85/540A13 Un générateur d'horloges hi, h2, hi, h2, connec- té tel qu'indiqué sur la figure 2, serait chargé sur l'impé- dance capacitive constituée des k éléments-mémoire mis en sé- rie. Pour supprimer cette impédance capacitive vue par le gé- nérateur d'horloge, l'invention réalise la connexion des élé- ments-mémoire entre eux à l'aide d'organes selfiques par exem- ple de selfs bobinées. La figure 4 représente le schéma électrique équi- valent du DTC ainsi réalisé. Chaque sommet du carré du schéma électrique équivalent précédent, par o transitent les horlo- ges, est relié au sommet suivant analogue à l'aide de selfs. La sortie du dernier élément-mémoire est relié, à travers les selfs de sortie à quatre résistances, égales à l'impédance ca- ractéristique Zc du réseau. Pour obtenir l'impédance caracté- ristique Zc souhaitée, l'inductance se définit de la manière suivante. Avec un dispositif à transfert de charges ayant N éléments-mémoire il est possible de regrouper ces N éléments- mémoire en j groupes de transport avec 1 Cej = Ce x k et Csj = Cs x k. Pour une impédance caractéristique Zo choisie pour un groupe de transport, la valeur de l'inductance néces- saire pour réaliser les connexions déjà décrites, à l'aide des organes selfiques LA et LB regroupés, est telle que L = 2. Zc2. k(Ce + Cs). La valeur BW de la bande passante du groupe de transport est alors déterminée par: BW = 1 2r Zc (Cej+Csj/2) La figure 5 représente un exemple d'organe selfi- que constitué par une inductance spiralée. Elle est constituée -8- PHF85/540A13 d'un ruban métallique de largeur W et d'épaisseur t, l'espa- cement entre spires étant dl. La spirale complète va présenter un écartement interne di et un écartement externe da. Le dia- mètre moyen de la spirale est 2a, l'épaisseur de la spirale est c= da - di. La spirale est formée de m révolutions, cha- que révolution correspondant à un déplacement angulaire de 2X. La valeur de l'inductance est alors égale a: L(nH) = m2 a2 (8a + l1c) avec a et c exprimés en microns. Une inductance ayant un écartement externe da = 450Pm a une valeur de 8nH avec les paramètres suivants: a = 150pm; c = 150pm; m = 5; dl = 5pm; w = 20pm; t = 5pm. Pour un dispositif à transfert de charges ayant 256 éléments-mémoire et qui présente une capacité totale CeN =NxCe = lOpF et CsN = NxCs = 6pF, en l'organisant en 8 grou- pes de transport formés de 32 éléments-mémoire, les capacités déja définies pour chaque groupe de transport sont Cej= 1,25pF et Csj= 0,75pF. Avec une inductance de L = 8nH associée à cha- que plot de contact la largeur de la bande passante est égale à 1,9GHz. Avantageusement ces inductances sont réalisées au cours de la même opération que la formation du réseau d'inter- connexion. Ces inductances peuvent être réalisées par l'Homme de métier selon une toute autre forme sans sortir du cadre de l'invention. Ce dispositif à transfert de charges trouve prin- cipalement son application dans les systèmes nécessitant un fonctionnement à fréquence élevée, tels que les dispositifs de traitement du signal, en particulier en oscilloscopie numéri- que ou en traitement d'images. -9- PHF85/540Ai3 REVENDICATIONS: 1. Dispositif à transfert de charges comprenant N élé- ments-mémoire, dans lesquels les charges stockées sont trans- férées à l'aide de 4 horloges issues d'un générateur d'horlo- ges, les 4 horloges étant appliquées sur chaque élément-mémoi- re à l'aide de 4 plots de contact, sur chacun desquels appa- raissant une capacité Ce entre plots voisins et une capacité Cs entre un plot et le substrat du dispositif à transfert de charges, caractérisé en ce que pour accroître les vitesses de transfert des charges stockées on connecte à chacun des 4 plots de contact d'un élément-mémoire une des extrémités de deux organes selfiques LA et LB, de telle sorte que l'autre extrémité de l'organe selfique étant chargée par une impédan- ce de nature résistive Zc, l'impédance présentée par l'autre extrémité de l'organe selfique LA soit aussi de nature résis- tive. 2. Dispositif à transfert de charges selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les plots de contact contrôlés par une même horloge, sont regroupés entre eux, en chaîne, par groupes de transport, l'autre extrémité de l'organe selfique LB relié à un plot étant réunie à l'autre extrémité de l'orga- ne selfique LA relié du plot suivant, la dernière autre extré- mité de l'organe selfique LB de chaque groupe de transport étant réunie à une impédance résistive de charge Zc. 3. Dispositif à transfert de charges selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que les N éléments-mémoire sont organisés en j groupes de transport qui comportent chacun k éléments-mémoire avec 1 I1. 4. Dispositif à transfert de charges selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce que pour une même horloge, l'impé- dance résistive de charge Zc d'un des j groupes de transport est l'impédance caractéristique du quadripôle formé par les organes selfiques LA et LB de valeur L/2 et les capacités de valeurs Ce et Cs, la valeur L/2 des organes selfiques LA et LB étant déterminée par -10- PHF85/540A13 L/2 = Zc2.k(Ce + Cs/2). 5. Dispositif à transfert de charges selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les organes selfi- ques sont constitués d'un dépôt conducteur. 6. Oscilloscope numérique caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif à transfert de charges selon une des revendications i à 5. 7. Dispositif de traitement. d'images caractérisé en. ce qu'il comprend un dispositif à transfert de charges selon une des revendications 1 à 5.