Brevet FR2596583A1 — publié le 19871002

"Dispositif de débordement de charge dans le domaine des semi-conducteurs à accumulation de charges, à encombrement réduit" L'invention comprend un dispositif de débordement de charge d'un type nouveau pour des supports de charges en excès, dans le domaine de l'accumulation de charges. Ces dispositifs trouvent leur utilisation dans les appareils de prises de vue à corps solides en particulier les cellules à couplage de charges CCD et les matrices à couplage de charges CCD sensibles optiquement. Dans les cellules et les matrices à couplage de charges CCD sensibles optiquement, les supports de charges photogénérés sont accumulés dans des cuvettes de potentiel, seront mis en mémoire, après écoulement du temps d'intégration de la lumière dans le registre à décalage à couplage de charges CCD, et transportés de celui-ci aux détecteurs de charges. Si les supports de charges passent par une cuvette de potentiel, la profondeur énergétique de cette cuvette se réduit Jusqu'à ce que, finalement, à partir d'une densité de charge par unité de surface maximum, la cuvette disparaisse. D'autres supports de charges engendrés dans la zone de la cuvette (disparue) ne seront plus mémorisés, mais au contraire, ils passeront dans des volumes semiconducteurs adjacents et dans les cuvettes de potentiel non encore remplies, disponibles en ces points.Cet effet se traduit, dans les dispositifs détecteurs optiques, comme un étalement de points d'image surexposés (blooming). On a, en conséquence, essayé de faire passer des supports de charge en excès, encore avant le cas limite où la cuvette de potentiel est complètement mise à plat, dans des canaux de mise sous vide. On a surtout fait connaite deux principes de base, passage de l'excès dans un canal d'évacuation latéral dans la zone d'accumulation, et passage de l'excès dans un champ placé en-dessous de cette zone. La redondance en pénétration est le procédé qui économise de la place, qui exige toutefois une construction compliquée avec une technologie coûteuse et qui provoque une coupure de la sensibilité spectrale dans les parties des ondes longues du spectre. L'antiblooming latéral est adapté pour la construction et pour la technologie à couplage de charges CCD courante.Dans les dispositifs connus, il est toutefois nécessaire de prévoir au moins deux champs supplémentaires, avec le besoin de place correspondant, notamment un champ constituant une barrière de potentiel, électriquement contrôlé, fréquemment, par une électrode, et un champ d'évacuation (Anti-bloomingdrain) (anti-étalement de l'image). L'invention a pour objet d'éviter les défauts de l'état actuel de la technique, avec une construction relativement simple, et une technologie courante. L'invention se propose de réaliser un dispositif de débordement de charge dont l'encombrement soit sensiblement réduit. Elle choisit, à cet effet, un dispositif d'un type nonveau qui permet, avec un encombrement remarquablement faible, d'évacuer la charge en excès. Pour réaliser le dispositif de débordement de charge suivant l'invention, il sera mis en place à côté d'un premier champ semi-conducteur comportant un canal de capacité, ou un champ de diodes introduit de préférence à plat, directement un second champ semiconducteur avec un canal de capacité prévu en profondeur. Le canal de capacité profond est limité vers le haut, c'est-à-dire, dans la direction de la surface des semiconducteurs, de préférence par une zone de verrouillage de canal, ce champ de verrouillage de canal s'étendant sur la ligne limite par rapport au premier champ semiconducteur jusqu a la surface des semi-conducteurs. Par le terme "verrouillage de canal", on doit comprendre ici un champ où le dopage de la conduction du substrat est suffisamment élevé.Dans la zone limite entre les deux champs semi-conducteurs, on rencontre le phénomène suivant entre les deux champs de semi-conducteurs, ilapparait, en cas de mise en service, c'est-à-dire en cas de déplétion, partielle ou totale, des deux champs de canaux, ou de polarisation du champ de diodes dans le sens de verrouillage, il se forme une barrière de potentiel en fonction des courbes de potentiel réalisées dans les deux champs semi-conducteurs. Si l'on arrête, dans un des deux champs semi-conducteurs, la différence de potentiel et continue à mémoriser, dans l'autre champ semi-conducteurs la charge, la barrière de potentiel deviendra plus petite en conséquence, pour disparaitre totalement quand le taux de charge sera au maximum et permettra alors le débordement de capacité voulu. Pour mieux faire comprendre le dispositif de débordement de capacité suivant l'invention, on partira du cas d'utilisation privilégié que représente notamment la mémorisation de la charge dans le canal de capacité "placé en haut", ou dans le champ de diodes montées à plat du premier champ semi-conducteur , et le passage du débordement dans le canal de capacité profond du second champ semi-conducteur. Pour réaliser un canal de capacité, on introduit dans le substrat du semi-conducteur une zone de dopage du type de conduction inverse de celui du substrat. Le canal de capacité "placé en haut", du premier champ semi-conducteur peut être contrôlé, soit par une électrode placée (isolée) au-dessus, soit par une couche de Jonction du canal, plane, montée sur la surface. Le canal de capacité profond du second champ semi-conducteur est contrôlé, comme on l'a dit déjà plus haut, de préférence, par un champ de verrouillage de canal, placé à une certaine distance de la surface. Le champ de diodes est réalisé, d'une façon connue, par une zone de dopage du type de conduction de celui du substrat. En cas de déplétion du canal de capacité en supports de charges, il se forme des champs électriques aussi bien entre les dopants et le substrat qu'entre les dopants ionisés et l'électrode ou la zone de verrouillage de canal. Il se forme alors la cuvette de potentiel typique des canaux de capacité. S'il est emmagasiné dans ces cuvettes de potentiel, des supports de charges (du type de conduction de la zone de dopage), les champs de déplétion seront diminués, du fait que les champs électriques voient leur extension diminuée dans leur extension par rapport à l'électrode, ou la zone de verrouillage de canal et vers le substrat, et sont affaiblis dans leur intensité, et, en conséquence, la profondeur énergétique de la cuvette sera diminuée. Si le champ de diodes est polarisé dans le sens de l'arrêt, il se forme un champ électrique entre la zone de dopage et le substrat. S'il est emmagasiné , dans le champ de diodes, des supports de charges, l'extension de ce champ électrique sera diminuée, et son intensité sera affaiblie, et, en conséquence, la différence de potentiel entre la zone de dopage et le substrat sera diminuée. Les supports de charges (du type de conduction inverse de celui du substrat), qui arrivent à s'écouler dans le canal de capacité, en seront extraits par des méthodes connues, par exemple en reliant ce canal, en un point, avec un champ de diodes polarisé dans le sens du verrouillage. On attirera ici l'attention sur ce que la valeur de potentiel du point le plus profond du canal de capacité est déterminée, quand la déplétion est complète, par le profil du dopage, et quand cette déplétion est partielle, par le potentiel du drain qui y est raccordé. Suivant l'invention, la courbe du potentiel dans les deux champs semi-conducteurs est ajustée de telle façon que, à la distance de la surface où, dans le premier champ de semi-conducteur, le champ électrique se trouve entre les dopants ionisés et le substrat, dans le second champ de semi-conducteur, le champ électrique règne entre la zone de verrouillage de canal et les dopants ionisés. On attirera l'attention sur ce que ces deux champs mentionnés sont dirigés en sens inverse. Les différentes courbes de potentiel se rencontrent dans la zone limite immédiate entre les deux champs de semi-conducteurs. Si l'on considérait la courbe du potentiel seulement comme monodimensionnelle, on pourrait projeter les deux courbes de potentiel au-dessus l'une de l'autre et trouver un point d'intersection de ces courbes.La différence de potentiel entre ce point d'intersection et le point le plus profond de la cuvette du canal de capacité du premier champ semi-conducteur, ou la différence de potentiel entre ce point d'intersection et le potentiel d'arrêt du champ des diodes donne la hauteur de la barrière de potentiel du champ de mémorisation du premier champ, semi-conducteur par rapport au canal de capacité du second champ semi-conducteur.Quand la quantité de charge se modifie dans le champ de mémorisation, le potentiel dans le champ de mémorisation se modifie aussi bien que la valeur du potentiel de ce point d'intersection. Toutefois la différence de potentiel et par suite la barrière sera d'autant plus petite qu'il arrivera plus de charge dans le champ de mémorisation.Si la charge continue à augmenter dans le champ de mémorisation, la hauteur de la barrière arrive finalement vers zéro, les autres charges arrivant dans le champ de mémorisation passeront alors dans le canal de capacité. La valeur du potentiel au point d'intersection se modifie également en fonction du point bas du potentiel du canal de capacité qui, de son côté, dépend, dans une déplétion partielle du potentiel d'un Drain (canal) qui y est raccordé. Si l'on augmente, dans le canal de capacité, la différence de potentiel entre le point bas du potentiel et le substrat, la hauteur de barrière définie plus haut s'abaisse et le départ de l'excès de charge s'amorce plus tôt. Si l'on diminue la différence de potentiel, ce départ ne s'amorce qu'avec de plus rgandes densités de charge superficielle. On peut, par suite, régler la hauteur de la barrière de potentiel et, par suite, le point d'amorçage du départ de l'excès de charge. En réalité, la courbe du potentiel doit être considérée comme bi-dimensionnelle. Cela entraine, par rapport à un modèle monodimensionnel, une diminution de la hauteur de la barrière de potentiel, en raison de la composante de champ qui s'étend entre les deux champs semi-conducteurs. Dans un deuxième cas d'utilisation, la charge peut être mémorisée dans le canal de capacité du second champ semi-conducteur et le départ de charge s'effectuer dans le canal de capacité ou le champ des diodes du premier champ semi-conducteur. Le mécanisme et le mode de fonctionnement sont si proches de ceux qui sont mentionnés plus haut que les personnes compétentes n'ont besoin d'aucune autre explication. L'avantage du dispositif de débordement de charge suivant l'invention réside dans son faible encombrement. Une zone de transfert commandée spécialement serait superflue. Le canal de capacité n'exige aucune électrode dans le mode de réalisation recommandé. La réalisation technologique peut être établie d'une façon très simple. Par exemple, la zone de dopage et aussi la couche d'arrêt de canal, plane, utilisée éventuellement pour la réalisation du canal de capacité du premier champ semi-conducteur, peut avoir une grande surface, donc peut aussi empièter sur le second champ semi-conducteur. Au moyen d'un masque, qui pourrait être par exemple, l'électrode contrôlant le canal de capacité du premier champ semi-conducteur, il sera implanté ensuite des dopants très profonds du type de conduction à l'opposé du substrat, et des dopants à moyenne profondeur du type de conduction dans le sens du substrat. Les dopants du type de conduction du substrat réalisant la zone de verrouillage du canal, limitant le canal de capacité vers le haut, et compensent en même temps la zone de dopage de grande surface introduite pour le canal de capacité dans le premier champ semi-conducteur. Un autre avantage réside dans la possibilité effective simultanée de séparation de plusieurs champs d'accumulation de charges les uns des autres. Si, par exemple, il est mis en place un canal de capacité entre deux canaux de capacité servant à rassembler des charges, le mécanisme de trop-plein agit pour les deux champs d'accumulation et, en outre, les deux champs sont séparés l'un de l'autre. L'invention sera mieux comprise d'après la description d'un exemple de réalisation faite avec référence aux figures où : - la figure la représente le dispositif de débordement de charge suivant l'invention pour un champ isolé d'accumulation de charges, - la figure lb montre la courbe latérale des valeurs du potentiel au point le plus profond pour le dispositif de la figure la, - la figure 2a montre le dispositif de débordement de charge suivant l'invention pour deux champs d'accumulation de charges adjacents, - la figure 2b montre la courbe latérale des valeurs de potentiel au point le plus profond pour le dispositif de la figure 2a, et - la figure 3 montre des courbes de potentiel; Dans l'exemple de réalisation, on utilise un substrat à conduction p. Naturellement l'invention peut aussi être réalisée avec des substrats à conduction n. Les dopages à introduire correspondants sont alors toujours du type à conduction en sens contraire. La construction du dispositif de débordement de charge est représenté, dans la figure 1 pour unchamp d'accumulation de charges unique et dans la figure 2, pour deux champs d'accumulation de charges adjacents qui sont tous réalisés dans cet exemple par un canal de capacité avec une couche de verrouillage de canal à recouvrement. Le premier champ semi-conduc teur est désigné par le chiffre 8 et le second par le chiffre 9. Le substrat du semi-conducteur, 10, conducteur en p est recouvert d'une grille isolateur 13. Pour limiter latéralement la zone active, on se sert de la zone isolatrice de champ 11 avec le dopage p 12 placé en-dessous. Le canal de capacité du premier champ 8 semi-conducteur est réalisé au moyen du dopage n 15 et de la couche 14 plane, de verrouillage du canal, dopée en p, qui se trouve en dessous. Dans le second champ 9 semi-conducteur, le canal de capacité placé en profondeur est formé par le dopage n 17 profond et la zone 18 de verrouillage du canal, dopée en p, mise en place au-dessus. Dans les figures lb et 2b sont représentées les valeurs des points les plus profonds du potentiel dont il s'agit, dans leurs courbes latérales, suivant les figures la et 2a. Dans le canal de capacité "vide" du champ 8, le potentiel atteint une valeur de 20, dans les zones p 12, 14 et 16 est maintenu le potentiel 19 du substrat. Le canal de capacité profond du champ 8 est maintenu au potentiel 18 au moyen d'une zone n +, raccordée, qui n'est pas représentée dans la figure. La référence 21 désigne la valeur extrême du potentiel de la barrière quand le canal de capacité du champ 8 est vide. Le repère 22 caractérise la valeur extrême appropriée pour le canal de capacité partiellement rempli, où il est arrivé au point le plus profond 24. Pour un remplissage du canal de capacité avec des électrons qui nécessiteraient pour le point le plus profond une valeur 25, barrière de potentiel disparait au point 23. De nouveaux électrons qui seraient amenés dans le canal de capacité du champ 8 s'écouleraient alors dans le canal de capacité profond du champ 9. Cet état est représenté symboliquement par la flèche 27 pour la zone d'accumulation de gauche. Les électrons en excès seraient ici engendrés par exemple par une irradiation énergique avec des photons d'énergie h (voir figure 2a). Dans la zone d'accumulation de droite, (figures 2a, 2b), l'arrivée du débordement ne s'est pas encore produite du fait que l'irradiation est plus faible. A la figure 3 sont enregistrées les différentes courbes de potentiel, qui sont projetées les unes sur les autres. On reconnaît ici nettement l'apparition de la barrière de potentiel. Les points d'intersection entre deux couches de potentiel mentionnées dans l'exposé de l'idée de l'invention sont désignés par 31, 32 et 33, sous un aspect monodimensionnel. Les lignes "recourbées" représentées spécialement avec les potentiels de barrière afférents 21, 22 et 23, montre la projection de la courbe de potentiel, telle qu'elle se forme sous l'effet des composantes de champ qui s'étendent entre les deux champs semi-conducteur. La hauteur des barrières peut être modifiée en modifiant la valeur du potentiel 18, ce qui est, à son tour, possible par l'intermédiaire du canal raccordé au canal de capacité profond. On doit toutefois attirer l'attention sur ce que la profondeur de la cuvette de potentiel de la zone 9 ne peut pas dépasser une valeur maximum 26 qu'elle atteint avec une déplétion totale en supports de charges. REVENDICATIONS 10) Dispositif pour débordement de charge pour des champs semi-conducteur accumulant des charges, caractérisé en ce qu'il est mis en place immédiatement à côté d'un premier champ (8) semiconducteur comportant un canal de capacité, ou d'un champ de diodes monté de préférence à plat, un second champ semi-conducteur (9) comportant un canal de capacité profond, dans lequel la zone de dopage profonde dont le type de conduction est inverse de celui du substrat, est limitée vers le haut, c'est-à-dire dans la direction des semi-conducteurs, de préférence par une zone de verrouillage de canal qui s'étend sur la ligne de limitation par rapport au premier champ semiconducteur jusqu'à la surface de ces semi-conducteurs, les courbes de potentiel dans les deux champs (8, 9) semi-conducteurs étant ajustées de telle façon qu'à la distance de la surface où, dans le premier champ semiconducteur, le champ électrique se trouve entre des dopants ionisés et le substrat, dans le second champ semi-conducteur, il règne, entre la zone de verrouillage de canal et les dopants ionisés le champ électrique dirigé dans le sens opposé au champ que l'on vient de mentionner. 20) Dispositif pour débordement de charge suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le canal de capacité du premier champ semi-conducteur est exécuté avec une couche de jonction de canal plane de recouvrement. 30) Dispositif pour débordement de charge suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le canal de capacité du premier champ semi-conducteur est exécuté avec une électrode de recouvrement. 40) Dispositif pour débordement de charge suint l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les supports de charges sont assemblés dans le premier champ semi-conducteur, et que l'excès de charge est transféré dans le canal de capacité profond du second champ semi-conducteur.