Brevet FR2635387A1 — publié le 19900216

- 1 - Dispositif à couplage de charges pour détecter une variation spatiale de l'intensité d'un rayonnement électromagnétique La présente invention concerne un dispositif à couplage de charges, ou "circuit CCD" (de "charge-coupled device", type de dispositif à transfert de charges), utilisé pour détecter une variation spatiale de l'intensité d'un rayonnement élec- tromagnétique. Un détecteur à quadrants, qui comprend quatre photodiodes réparties régulièrement angulairement autour d'un axe central, peut être utilisé pour positionner un objet par rapport à une source de lumière. Le détecteur à quadrants est monté sur l'ob- jet, de sorte que lorsque l'objet est dans la direction dési- rée, l'image de la source de lumière est formée sur le détec- teur et les quatres diodes fournissent des courants d'égale intensité. Si l'orientation de l'objet change, au moins deux des photocourants sont différents l'un de l'autre et le si- gnal d'erreur résultant peut être utilisé dans une boucle de rétroaction pour ajuster l'orientation de l'objet d'une maniè- re telle que l'on obtienne l'égalité des quatre photocourants. Les détecteurs à quadrants classiques de cette sorte ne conviennent pas pour positionner un objet par rapport à une source de faible lumière. Par exemple, un tel détecteur à qua- drants ne pourrait pas être utilisé facilement pour position- ner un véhicule spatial par rapport à une étoile. La raison en est que le flux d'énergie reçu par le détecteur est si fai- ble que les photocourants fournis par les quatre photodiodes sont sujets à des variations essentiellement aléatoires d'am- plitude relative et, par conséquent, la valeur instantanée du signal d'erreur n'est pas une indication fiable de l'erreur d'orientation du véhicule spatial. - 2 - On sait utiliser un CCD imageur pour produire un signal électrique représentatif de l'intensité de la lumière reçue par le dispositif. Une forme de CCD imageur comprend une pla- quette ou "puce", de silicium qui a été traitée suivant le procédé MOS classique pour former un canal enterré sous sa surface antérieure (surface à travers laquelle la puce est traitée). Des charges sont créées dans la puce par effet-pho- toélectrique. Par conséquent, si des photons pénètrent dans la puce, des électrons de conduction peuvent être créés et ces électrons de conduction peuvent pénétrer dans le canal enterré. En agissant sur des signaux d'horloge qui sont appli- qués à une structure d'électrodes de grille du CCD, la charge qui pénètre dans le canal enterré peut être confinée dans-ce canal pendant un laps de temps relativement long. La charge accumulée peut être extraite du canal enterré par application de signaux d'horloge convenables à la structure d'électrodes de grille. Une forme de réalisation préférée de l'invention est un dispositif à couplage de charges prévu pour détecter une va- riation spatiale de l'intensité d'un rayonnement électromagné- tique. Ce dispositif comprend un corps constitué de matière semiconductrice qui répond à un rayonnement électrmagnétique dans un domaine spectral donné en créant des porteurs de char- ge. Le corps en matière semiconductrice a des premier et deu- xième volumes de détection qui sont isolés l'un de l'autre en ce qui concerne la diffusion des porteurs de charge. Une structure d'électrodes de détection recouvre les zones de dé- tection. Des première et deuxième zones de transfert sont en communication avec les premier et deuxième volumes de détec- tion, respectivement et une structure d'électrodes de trans- fert recouvre les régions de transfert. Une région de lecture a des première et deuxième zones en communication avec les première et deuxième zones de transfert, respectivement, et est reliée à un point de sortie. Une charge peut être accu- -3- mulée dans les volumes de détection pendant une période d'in- tégration, et les échantillons de charge résultants peuvent être transférés séparément par l'intermédiaire des zones de transfert et appliqués au point de sortie. L'invention sera mieux comprise et la façon de la réaliser apparaîtra à la lecture de la description détaillée donnée ci-après à titre d'exemple en relation avec les dessins anne- xés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue de dessus schématique d'une puce de matière semiconductrice utilisée pour un dispositif à cou- plage de charges incorporant l'invention; - la figure 2 est une vue similaire du dispositif à couplage de charges terminé; - la figure 3 est une vue en coupe partielle, à échelle agran- die, suivant le plan défini par la ligne III-III sur la figu- re 2; - la figure 4 est une vue en coupe partielle suivant le plan défini par la ligne IV-IV sur la figure 2; et - la figure 5 représente les formes d'onde de signaux qui sont appliqués à des électrodes du dispositif représenté sur les figures 2 à 4. La figure 1 représente donc une puce monocristalline 2 de silicium du type P. Puisque la puce est monocristalline, les plans du cristal dans n'importe quelle zone de la puce sont parallèles aux plans du cristal dans n'importe quelle autre zone de la puce ou coplanaires avec ces plans. Au cours d'une première opération d'implantation ionique, une impureté du type P est introduite dans les zones 4 et 6 de la puce à travers sa surface antérieure. Les zones 4 et 6 ont alors la conductibilité P+. Après l'implantation d'impuretés du type P, une couche épaisse de dioxyde de silicium 7 (figure 3) est formée par croissance thermique sur toute la surface supérieu- -4- re de la puce (surface sur laquelle se trouvera finalement la zone active du dispositif), au-dessus de la zone 6. Au cours d'une deuxième opération d'implantation, une impureté du type N est introduite dans les zones 8, 10, 12 et 14 de la zone active, ce qui donne à ces zones une conductibilité du type N. La zone 8 est la zone du canal enterré du disposi- tif et comprend elle-même deux zones de détection 16 et 18, deux zones de transfert 20 et 22 et une zone de lecture 24. Les zones 16 et 20 sont séparées des zones 18 et 22, respec- tivement, par une zone 26 qui a une conductibilité du type P. La zone 10 est une zone de transistor de sortie, et les zones 12 et 14 sont des zones de canal fictif s'étendant au- tour de la zone de canal enterré 8 et de la zone 10 de tran- sistor de sortie, respectivement. Une mince couche de dioxyde de silicium 30 (figure 3) est formée sur toute la surface antérieure de la puce, etdes élec- trodes de silicium polycristallin, ou "polysilicium", sont formées sur le dessus de la couche 30, au-dessus des zones 4, 8 et 12. Comme on le voit sur la figure 2, les électrodes en polysilicium 50, 52 et 54 s'étendent au-dessus des zones de détection 16 et 18. L'électrode 52 est en deux parties 52a et 52b et, de même, l'électrode 54 est en deux parties 54a et 54b. Une électrode de transfert en polysilicium 60 recouvre la zone de transfert, et trois électrodes de lecture 62, 64 et 66 recouvrent les zones 12 et 24. Les électrodes 62 et 64 sont chacune en quatre parties, et l'électrode 66 est en trois parties. Une dernière grille de polysilicium 82 est formée au-dessus des zones 12 et 24, et une grille de remise à zéro en polysilicium 84 est formée au-dessus de la zone 8. Les élec- trodes de polysilicium sont formées au cours d'étapes succes- sives et les électrodes formées dans les dernières étapes che- vauchent normalement celle qui ont été formées dans les pre- -5- mières étapes au lieu d'être coplanaires comme cela est repré- senté sur la figure 4. Un puits de potentiel est défini dans la zone du canal enterré sous chaque électrode, la profondeur énergétique d'un puits de potentiel dépendant du potentiel de l'électrode. Après que les électrodes de polysilicium ont été formées, la couche d'oxyde mince 30 est partiellement enlevée, ce qui met la puce à nu à cet emplacement, et une diffusion par fenê- tre ouverte est exécutée. Dans la diffusion par fenêtre ouver- te, des ions d'impureté du type n sont introduits dans les parties de la zone de lecture qui ont été mises à nu par enlè- vement de la couche d'oxyde mince 30. De cette manière, une diffusion flottante N- 72 et une diffusion de sortie N+ 74 (figure 4) sont formées dans la zone de lecture. Le dispositif représenté sur les figures sert à produire des signaux électriques représentatifs de l'énergie incidente sur les zones de détection à travers la surface antérieure de la puce pendant une période d'intégration. La lumière inci- dente sur les zones de détection peut pénétrer dans la puce et peut provoquer la génération d'électrons de conduction dans celle-ci. La zone du type P+ 4 et la zone du type P 26 servent d'arrêts de canal qui empêchent les électrons qui se trouvent dans les zones de détection et de transfert de diffuser à l'ex- térieur de ces zones, sauf dans la zone de lecture. Une couche 68 de métal tel que l'aluminium est prévue sur les principales parties de la zone du canal fictif 12, de la zone de lecture 24 et des zones de transfert 20 et 22 afin d'empêcher la lu- mière parasite de pénétrer dans la puce et de créer des char- ges parasites qui pourraient diminuer la précision des signaux de sortie. La couche 68 s'étend au moins partiellement sur les électrodes de polysilicium, et une couche de dioxyde de silicium 70 (figure 4) empêche la couche 68 d'établir des con- nexions électriques entre les électrodes de polysilicium. -6- Des contacts métalliques 76 et 78 sont appliqués aux dif- fusions 72 et 74, respectivement. Le contact 76 est relié à la grille d'un transistor de sortie 80 formé dans la zone 10 et représenté schématiquement sur la figure 2. Les électrodes de source.et de drain du transistor 80 sont reliées à des pla- ges de connexion respectives (non représentées). Le contact 78 est relié à la zone de canal fictif 12 et à une plage de connexion (non représentée). Lorsque le dispositif fonctionne, la lumière frappe les zones de détection pendant une période d'intégration. Pendant cette période d'intégration, les électrodes 52 et 54 sont main- tenues à l'état haut tandis que l'électrode de transfert 60 et l'électrode 50 sont maintenues à l'état bas, de sorte que. les électrons qui pénètrent dans les puits de potentiel situés sous les parties d'électrodes 52a et 52b ou 54a et 54b sont incapables de quitter ces puits. En conséquence, deux échan- tillons de charge Q1 et Q2 sont recueillis dans la zone de détection 30, sous les parties d'électrodes 52a, 54a et sous les parties d'électrodes 52b, 54b, respectivement, et deux échantillons de charge Q3 et Q4 sont recueillis dans la zone de détection 32, sous les parties d'électrodes 52a, 54a et sous les parties d'électrodes 52b, 54b, respectivement. A la fin de la période d'intégration, l'électrode 52 passe à l'état bas, et la charge présente dans les puits de poten- tiel situés sous les parties d'électrodes 52a et 52b est trans- férée aux puits de potentiel situés sous les parties d'élec- trodes 54a et 54b, respectivement, de sorte que les échantil- lons de charge Q1 et Q2 sont confinés dans les puits de poten- tiel définis dans la zone 30, sous les parties d'électrodes 54a et 54b, respectivement, et que les échantillons de charge Q3 et Q4 sont confinés dans les puits de potentiel définis dans la zone 32, sous les parties d'électrodes 54a et 54b, respectivement. -7- Les électrodes 50 et 60 passent ensuite à l'état haut et l'électrode 54 passe à l'état bas et, en conséquence, les échantillons de charge Q1 et Q3 sont transférés dans les puits de potentiel des zones 30 et 32 situées sous l'électrode 50, et les échantillons de charge Q2 et Q4 sont transférés aux zones de transfert 20 et 22. Lorsque l'électrode 60 passe en- suite à l'état bas, l'électrode 66 est aussi à l'état bas, et les électrodes 62 et 64 sont à l'état haut. Par conséquent, l'échantillon de charge Q2 pénètre dans la zone de lecture située sous les parties d'électrodes 62a et 64a, et l'échan- tillon de charge Q4 pénètre dans la zone de lecture située sous les parties d'électrodes 62b et 64b. L'électrode 62 passe ensuite à l'état bas et, par conséquent, la charge présente sous les parties d'électrodes 62a et 62b est transférée aux puits de potentiel situés sous les parties d'électrodes 64a et 64b, respectivement, de sorte que les échantillons de char- ge Q2 et Q4 sont respectivement maintenus dans ces puits de potentiel. Les électrodes 62, 64 et 66 reçoivent des signaux d'horloge, ce qui fait avancer les échantillons de charge dans la zone de lecture d'une manière bien connue vers la dernière grille. Lorsque les échantillons de charge Q2 et Q4 ont été trans- férés à la zone de lecture en rendant l'électrode 60 négative par un signal d'horloge, les échantillons de charge Q1 et Q3 situés sous l'électrode 50 ont été transférés aux puits de potentiel situés sous la partie d'électrode 52b. Ces échantil- lons de charge sont déplacés par des signaux d'horloge à tra- vers les zones 30 et 32 pour les amener dans les zones de transfert et les faire pénétrer dans la zone de lecture. Quand les deux échantillons de charge Q1 et Q3 pénètrent dans la zone de lecture, il y a quatre échantillons de charge dans cette zone de lecture et ces quatre échantillons sont trans- -8- férés séquentiellement à l'extérieur de cette zone et sont appliqués à la grille du transistor à effet de champ de sortie 80. Lorsque les troisième et quatrième échantillons de charge pénètrent dans la zone de lecture, auquel instant les électro- des 50 et 60 sont à l'état bas, une nouvelle période d'inté- gration commence. Les grilles de remise à zéro fonctionnent d'une manière bien connue pour amener la diffusion flottante au même poten- tiel que la diffusion de sortie juste avant qu'un échantillon de charge soit appliqué à la diffusion flottante. Les zones de canal fictif 12 et 14 piègent les électrons qui diffusent vers les zones 8 et 10 à partir de la zone su- perficielle de la puce. Puisque les électrodes de polysili.cium recouvrent la zone 12, ces électrons sont transférés par les signaux d'horloge à travers la zone 12 au fur et à mesure que les échantillons de charge Q1 à Q4 sont transférés par les signaux d'horloge à travers la zone 8 et sont évacués par l'intermédiaire de la plage de connexion reliée au contact 78. Le dispositif représenté sur les figures 2 à 4 peut être utilisé avec un obturateur (non représenté) pour régler la durée de la période d'intégration. Lorsque l'obturateur est ouvert, la période d'intégration commence et les échantillons Q1 à Q4 sont accumulés. Lorsque l'obturateur est fermé, l'in- tégration prend fin et la lecture commence. S'il n'est pas utilisé d'obturateur, la charge s'accumule dans les zones de détection même pendant la période de lecture. Pour réduire au minimum la pollution des échantillons, il est souhaitable que la lecture ait lieu rapidement. Puisque les échantillons de charge sont transférés-à la zone de lecture par paires, la vitesse de lecture n'est pas limitée par la nécessité d'ap- pliquer séquentiellement les échantillons de charge au tran- sistor de sortie. Il est à noter que la demanderesse a déposé concurremment, le même jour, sous le n' 89 09556 une demande de brevet qui décrit également un dispositif pour détecter une variation spatiale de l'intensité d'un rayonnement électromagnétique, et ayant pour titre "Dispositif pour détecter une variation spatiale de l'intensité d'un rayonnement électromagnétique". On comprendra que l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation particulière décrite et illustrée à titre d'exemple et que des modifications peuvent lui être apportées sans sortir du cadre de l'invention tel qu'il est défini dans les revendications annexées. - 10 - Revendications 1. Dispositif à couplage de charges-.pour détecter une varia- tion spatiale de l'intensité d'un rayonnement électromagnéti- que dans un domaine spectral, caractérisé en ce qu'il comprend: - un corps en matière semiconductrice (2) qui répond à un rayonnement électromagnétique dans ce domaine spectral en cré- ant des porteurs de charge, le corps en matière semiconduc- trice ayant des premier et deuxième volumes de détection (16, 18) isolés l'un de l'autre en ce qui concerne la diffusion de porteurs de charge, des première et deuxième zones de trans- fert (20, 22) en communication avec les premier et deuxième volumes de détection, respectivement, et une région de lecture (24) ayant des première et deuxième zones (30, 32) en commu- nication avec les première et deuxième zone de transfert (20, 22), respectivement, et étant reliées à un point de sortie; - une structure d'électrodes de détection (52, 54) qui recou- vre les volumes de détection (16, 18); et - une structure d'électrodes de transfert (60) qui recouvre les zones de transfert (20, 22), grâce à quoi une charge peut être accumulée dans les volumes de détection pendant une période d'intégration et les échan- tillons de charge résultants peuvent être déplacés à travers les zones de transfert et appliqués au point de sortie. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et deuxième volumes de détection (16, 18) ont un premier type de conductibilité et sont isolés l'un de l'au- tre par une zone Formant barrière (26) ayant un deuxième type, opposé, de conductibilité. - 11 - 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure d'électrodes de détection (52, 54) comprend au moins des première, deuxième et troisième parties d'élec- trodes (52, 50, 54) s'étendant chacune tant sur le premier que sur le deuxième volume de détection (16, 18), la deuxième partie d'électrode étant entre les première et troisième par- ties d'électrodes, de manière que la deuxième partie d'élec- trode puisse établir une barrière de potentiel dans chacun des volumes de détection entre la zone située sous la première partie d'électrode et la zone située sous la troisième partie d'électrode. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième partie d'électrode (50) est plus courte, dans la direction de diffusion de la charge à travers les volumes de détection (16, 18), que les première et troisième parties d'électrode. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure d'électrodes de transfert (60) comprend une seule électrode de transfert (60) qui recouvre les deux zones de transfert (20, 22), et que l'électrode de transfert (60) est plus courte que les première et troisième parties d'élec- trode. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure d'électrodes de détection (52, 54) comprend des première et deuxième électrodes (52, 54) ayant chacune deux parties (52a, 52b; 54a, 54b) dont chacune recouvre tant le premier que le deuxième volume de détection (16, 18), et une troisième électrode (50) qui recouvre le premier et le deuxième volume de détection, une partie de la première élec- trode (52) étant entre une partie de la deuxième électrode (54) et la troisième électrode (50), l'autre partie de la pre- mière électrode (52) étant entre la troisième électrode (50) - 12 - et la structure d'électrodes de transfert (60), et l'autre partie de la deuxième électrode (54) étant entre ladite autre partie de la première électrode (52) et la troisième électrode (50), grâce à quoi la troisième électrode (50) peut établir une barrière de potentiel dans chacun des volumes de détection (16, 18) entre la zone située sous ladite une partie de la première électrode (52) et ladite une partie de la deuxième électrode (54) et la zone située sous ladite autre partie de la première électrode (52) et ladite autre partie de la deu- xième électrode (54). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la troisième électrode (50) est plus courte, dans la di-. rection de diffusion de la charge à travers les volumes de détection, que les parties (52a, 52b; 54a, 54b) des première et deuxième électrodes. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones de transfert (20, 22) sont voisines l'une de l'autre et ont un premier type de conductibilité et sont iso- lées l'une de l'autre en ce qui concerne la diffusion des por- teurs de charge par une zone formant barrière (26) ayant un deuxième type, opposé, de conductibilité. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la structure d'électrodes de transfert (60) comprend une seule électrode (60) qui recouvre les première et deuxième zones de transfert (20, 22). 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure d'électrodes de lecture (62, 64) comprend au moins une première électrode (62) ayant des parties qui recouvrent les première et deuxième zones, respectivement, - 13 - de la région de lecture (24), et une deuxième électrode (64) qui recouvre une zone située entre les première et deuxième zones. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la deuxième électrode (64) est plus courte, dans la direc- tion de diffusion de la charge à travers la région de lecture (24), que les parties de la première électrode. 12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la région de lecture (24) comprend au moins des troisième et quatrième zones situées entre les première et deuxième zone et le point de sortie, la première électrode (62) ayant des parties qui recouvrent les troisième et quatrième zones, res- pectivement. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les parties de la première électrode (62) qui recouvrent les troisième et quatrième zones de la région de lecture sont plus courtes, dans la direction de diffusion de la charge à travers la région de lecture, que les parties de la première électrode qui recouvrent les première et deuxième zones de la région de lecture. 14. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une couche de matière (68) sur la région de lecture, la matière de cette couche étant essentiellement opa- que au rayonnement électromagnétique dans ledit domaine spec- tral. 15. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les volumes de détection (16, 18) sont au moins partiel- lement entourés d'une zone d'évacuation de la charge (4) ayant le même type de conductibilité que les volumes de détection, - 14 - et que la structure d'électrodes de détection (52, 54, 50) recouvre la zone d'évacuation de la charge (4), grâce à quoi l'application de signaux d'horloge à la structure d'électrodes de détection pour provoquer le déplacement des échantillons de charge à travers les volumes de détection et les introduire dans les zones de transfert a pour effet que la charge qui se trouve dans la zone d'évacuation de la charge est trans- férée de cette zone d'évacuation de la charge.