Brevet FR2116410A1 — publié le 19720713

î 2116410 La présente invention concerne les transistors isolés à porte et effet de chaaip, fonctionnant comme mémoire. Ces transistors ont la propriété de pouvoir emmagasiner une charge en vue de faire varier la tension de seuil du dispositif, c'est-à-dire la tension au1 5 il est nécessaire d'appliquer à l'électrode de contrôle pour que le dispositif devienne conducteur. Un tel dispositif est d'une grande utilit-é pour constituer un élément de mémoire. On peut simplement modifier la tension de seuil du dispositif soit à une valeur supérieure soit à une valeur inférieure, suivant que l'on a à emmagasi-10 ner un bit binaire "1" ou un bit binaire "0". Si, ensuite, on doit lire le bit emmagasiné, il faut appliquer une tension située entre les limites supérieure et inférieure de tension de seuil à l'électrode de commande ou de contrôle. Si le dispositif est conducteur, c'est un bit de l'une des valeurs qui est lu, tandis que s'il ne 15 conduit pas, c'est le bit de l'autre valeur qui est lu. Ces dispositifs sont ce qu'on appelle extrêmement "non volatiles", c'est-à-dire qu'ils maintiennent la charge sur une longue période. En conséquence, il n'est pas nécessaire de rafraîchir continuellement chaque dispositif ou de prévoir des circuits spéciaux au cas où le 20 courant vient à manquer. Les transistors à effet de champ du genre en question ont cependant l'inconvénient d'avoir une jonction drain-support qui tend à subir une rupture "zener" aux basses tensions. Cette tension de rupture peut avoir une valeur assez faible, de l'ordre de huit à 25 dix volts, mais si le dispositif est utilisé par exemple comme élément de circuit intégré, il est souhaitable dans bien des cas, de pouvoir appliquer une tension de polarisation entre l'électrode de drain et le support ou substrat, tension oui est considérablement plus élevée que cette faible tension de rupture. 30 Le but de la présente invention est de réaliser un transistor- mémoire à effet de champ du genre en question qui permet d'écarter cet inconvénient. En conséquence, l'invention vise à réaliser un transistor-mémoire isolé à porte et effet de champ qui comprend un substrat se-35 mi-conducteur d'un premier type de conductivité avec une première et une seconde zone d'un second type de conductivité destinées à constituer respectivement la source et l'utilisation ou drain, ainsi qu'une première couche isolante recouvrant une zone de canal du substrat entre la source et le drain, une seconde couche isolante 40 recouvrant la première et une électrode de porte recouvrant la se 71 42609 2 2116410 conde couche isolante. Le transistor est caractérisé par le fait que la première couche isolante possède une première épaisseur dans une première zone recouvrant une partie de ladite zone de canal, et une seconde épaisseur dans une seconde zone recouvrant une autre 5 partie de cette zone de canal laquelle est contiguë au drain, étant entendu- que la seconde épaisseur est supérieure à la première. Le transistor selon la présente invention permet d'éliminer ll inconvénient cité plus haut grâce au fait que la première couche isolante possède une plus forte épaisseur dans la zone ou région 10 de l'électrode de drain. On a représenté aux dessins ci-joints deux formes de réalisation de l'invention et dans ces dessins: Fig. 1 représente un dispositif MîfOS connu; Fig. 2 représente une forme d'exécution d'un dispositif MNOS 15 selon la présente invention; Fig. 3 représente une autre forme d'exécution d'un dispositif KNOS selon l'invention; Fig. 4 est un graphique des courbes caractéristiques montrant comment la tension de seuil d'un dispositif MTTOS peut être limitée 20 à des valeurs strictement négatives. En se référant à la Fig. 1, on voit un dispositif connu 10 qui est sous forme d'un transistor HNOS, c'est-à-dire métal-nitrure de silicium-oxyde de silicium-silicium. Ce dispositif 10 comprend un substrat 12 dans lequel est diffusées, au moyen de techniques clas-25 siques, deux zones 14 et 15 de conductivités opposées, qui servent respectivement de drain et de source pour ce dispositif 10. Ainsi que cela est connu, l'électrode de source 15 est celle dans laquelle s'introduit la majorité des porteurs, tandis que l'électrode de drain 14 est celle dont on dérive ou extrait la majorité des por-30 teurs. On suppose dans ce qui suit que le substrat 12 est dopé par des impuretés de type N et que les électrodes de source 15 et de drain 14 sont dopées par des impuretés de type P. Directement au-dessus du substrat 12, chevauchant légèrement les zones 14 et 15, est disposée une couche en un matériau à faible 35 pouvoir de blocage de charge, par exemple une couche d'oxyde de silicium 16, qui peut être du bioxyde de silicium (SiOg)• Cette couche 16 peut être d'une épaisseur quelconque qui permet à la charge de traverser cette épaisseur par percement, par exemple entre quinze et soixante angstrôms, trente angstrôms étant une valeur typique. 40-Au-dessus ds la couché 16 en oxyde de silicium se trouve une couche 71 42609 3 2116410 en une matière possédant une caractéristique élevée de blocage de charge, par exemple en nitrure de silicium (Si;^.), cette couche 18 pouvant avoir une épaisseur comprise entre 400 et 1000 angstrôms, la valeur de 750 angstr'ôms étant un exemple typique. Il est en con-5 séquence possible de créer une charge à l'interface entre la couche 16 en oxyde de silicium et la couche 18 en nitrure de silicium. .Au-dessus- de cette couche 18, on dépose une couche en une matière conductrice 20, par exemple en aluminium, dont l'épaisseur peut être de l'ordre de 10.000 à 15.000 angstrôms, une valeur de 12.000 étant 10 un exemple typique. Lorsqu'on applique entre la ligne 22 reliée à la couche conductrice 20 et le substrat 12 relié à la masse, une tension plus négative que la tension de seuil du dispositif 10, il se produit une inversion de conductivité dans le substrat 12 et ce dans la zone 15 voisine de la couche d'oxyde 16. Cette inversion est indiquée en Fig. 1 par la zone 24 qui dans la suite sera désignée par "canal". Lorsqu'un canal 24 se forme, la majorité des porteurs peut s'écouler entre la source 15 et le drain 14 et le dispositif est alors • conducteur ou en état de marche. Si une tension plus positive que 20 la tension de seuil du dispositif 10 est appliquée entre la ligne 22 et le substrat 12, le canal 24 ne se forme pas et aucune majorité de porteurs ne peut s'écouler entre la source 15 et le drain 14. Dans ce^pas, le dispositif est non conducteur ou à l'état d'arrêt. Dans le dispositif 10 à canal ]?, les porteurs de majorité sont des 25 électrons de sorte qu'un courant passe de la source 15 à l'électrode de drain 14. Ainsi que cela est mentionné plus haut, le dispositif 10 est capable de constituer line mémoire, autrement dit d'emmagasiner une charge qui résulte du fait que la tension de seuil du dispositif 10 30 s'écarte de la tension de seuil naturelle qui lui est associée. Cet effet de mémoire du dispositif 10 semble être dû au fait que, lorsqu'on applique entre la ligne 22 et le substrat 12 une tension Y„ relativement élevée pendant une période relativement longue (par exemple plus ou moins trente volts pendant une milliseconde), une 35 charge se forme à l'interface entre la couche d'oxyde de silicium 16 et la couche de nitrure de silicium 18. Il résulte de cette charge emmagasinée qu'un canal 24 se forme à une tension de seuil différente, car la charge emmagasinée crée un champ qui, suivant la polarité de la charge, est ou bien additionné au, ou bien soustrait du 40 champ créé par la tension appliquée ensuite à la ligne 22. 71 42609 4 2116410 La charge à l'interface entre les couches 16 et 18, est relativement permanente, c'est-à-dire qu'il faut un temps prolongé (de l'ordre de plusieurs mois et même des années) pour qu'elle soit complètement dissipée. Dans ce cas, on dit que le dispositif 10 est 5 "non volatile"; autrement dit, une fois que la tension de seiuil a été modifiée à une certaine valeur par le fait que la charge apparaît à l'interface entre la couche d'oxyde et la couche de nitrure, elle reste pratiquement permanente, à moins qu'elle ne soit modifiée par une autre impulsion de tension Vg. 10 Suivant une théorie, la charge qui se forme à l'interface en tre les couches 16 et 18 est plus forte dans la partie de l'interface qui chevauche les zones de source 15 et de drain 14, ce qui est représenté en Fig. 1 par des signes "+" supplémentaires. Ceci, à son tour, fait que les électrons du substrat 12 sont attirés vers 15 des zones 26 et 27 qui sont près des jonctions canal 24/drain 14 et canal 24/source 15. Quand ceci se produit, la résistivité des zones 26 et 27 baisse et la tension de rupture de la diode formée par le drain 14 et le substrat 12 ou la source 15 et le substrat 12 aux zones 26 ou 27 devient plus faible en conséquence. Normalement, ce-20 ci ne pose aucun problème pour la zone 27, car la source 15 est à un potentiel de,masse. Par contre, le drain 14 est normalement polarisé au-dessus de cette tension de rupture. Suivant une autre théorie, la charge reste relativement constante sur toute l'interface et la résistivité de la zone entière 25 de canal 24 devient plus faible. Dans un cas comme dans l'autre, la diode formée par le drain 14 et le substrat 12 possède une faible tension de rupture zener. Selon l'invention, le problème de la rupture zener entre le drain 14 et le substrat 12 se trouve être résolu par les disposi-30 tifs représentés aux Fig. 2 et 3. Le dispositif MN0S 30 de la Fig. 2 comporte un substrat 32, un drain 34 et une source 35 qui correspondent respectivement aux éléments 12, 14 et 15 de la Fig. 1. Dans le dispositif 30, on a prévu une couche d'oxyde de silicium 36 à double épaisseur. La partie 38 est beaucoup plus épaisse que la 35 partie correspondante 16 de Fig. 1. Par exemple, elle peut être de l'ordre de 200 à 1000 angstrôms, la valeur de 400 angstrôms étant un exemple typique. La partie 40 a une épaisseur équivalènte à celle de la couche d'oxyde 16 de la Fig. 1. On prévoit également, en Fig. 2, une couche de nitrure de silicium 42 et une couche oonduc-^ 40>triée 44 qui correspondent aux couches 3B et 20 respectivement de 71 42609 2116410 la Fig. 1. La partie 38 de la couche d'oxyde de silicium 36 doit être suffisamment épaisse pour qu'une charge négligeable se forme à 1' interface entre la couche de nitrure 42 et la couche d'oxyde 36 5 lorsqu'une tension Vg est appliquée à la couche conductrice 44. La portion plus mince 40 de la couche d'oxyde 36 a la même épaisseur que la couche 16 de la Fig. 1, de sorte que la charge se forme à 1' interface des couches 36 et 42 lorsqu'une tension Vp est appliquée à la couche conductrice 44 et fait varier la tension de seuil du 1 10 dispositif. De cette façon, seule la portion 40 de la couche d'oxyde de silicium 36 agit comme mémoire du dispositif. On estime que, puisqu'il n'y a pas formation de charge à l'interface de la portion 38 et de la couche 42, les électrons ne sont pas attirés vers la zone voisine de la jonction drain 34/canal 46. De cette manière, le 15 problème de la faible tension de rupture zener à cette jonction, se trouve être résolu. La longueur relative des parties 38 et 40 ne présente pas une grande importance, sauf que la jonction drain 34/substrat 32 doit être à l'abri de toute charge à l'interface entre la couche d'oxyde de silicium 36 et la couche de nitrure de si-20 licium 38. A titre d'exemple, on peut fixer la longueur de la partie 38 à un tiers de celle du canal et la longueur de la partie 40 aux deux-tiers. ïïn autre avantage que possède le dispositif 30 par rapport aux dispositifs connus, tel le dispositif 10, est que l'épaisseur de la 25 partie 38 de la couche d'oxyde 36 peut varier afin de limiter la valeur maximale de la tension de seuil du dispositif 30 à une quantité négative. En choisissant une plus grande épaisseur pour la partie 38 de la couche 36, il sera nécessaire d'appliquer une tension plus négative à la couche conductrice 44 si l'on veut créer un ca-30 nal 46 au-dessous de la partie 38. Ce canal sera indépendant de toute charge emmagasinée à l'interface de la couche d'oxyde 36 et de la couche de nitrure 40. Il ne peut donc être créé que par l'application d'une tension négative à la couche conductrice 44. Cependant, dans le cas de la partie 40, la charge à l'interface de la couche 35 d'oxyde 36 et de la couche de nitrure 42 affectera la tension de seuil à laquelle le canal 46 est créé. Ainsi, la partie du dispositif 30 qui comporte la portion 40 de la couche d'oxyde 36 fonctionne comme un dispositif LH0S normal du type mémoire, et la partie du dispositif qui comprend la portion 38 de la couche d'oxyde 36 fonc-40 tionne alors cotome un dispositif iHOS sans mémoire. Il résulte de 71 42609 6 2116410 la double épaisseur de la couche d'oxyde de silicium 36, que le dis-Positif 30 est du type à mémoire avec limite supérieure de valeur négative pour la tension de seuil nécessaire pour qu'il soit conducteur . 5 La Fig. 3 représente un dispositif HtTOS 50 qui est une autre forme d-'exécution de l'invention. Dans ce cas, le substrat 52, la zone de drain 54 et la zone de source 55 correspondent aux cas des Fig. 1 et 2. Par contre, la couche d'oxyde de silicium 56 comprend des portions épaisses 58 et 60 dans les régions se trouvant au-des-10 sus de la jonction du canal 68 et des deux zones 55 et 54, avec une partie plus mince 62 au milieu. La couche de nitrure de silicium 64 et la couche conductrice 66 sont aussi semblables aux éléments correspondants des Fig. 1 et 2, c'est-à-dire avec épaisseur constante. Dans le dispositif 50, la fonction de mémoire se produit dans la 15 partie 62 de la couche d'oxyde 56 et les parties 58 et 60 servent à limiter la valeur de tension de seuil et à empêcher la rupture zener entre le drain 54 et le substrat 52. Dans le cas de ce dispositif 50, les zones de source et de drain peuvent être interchangées en circuit sans que cela pose un problème quelconque. De plus, la 20 zone de source 55 peut être polarisée au-dessus de la-tension de rupture, si désiré, dans une application de circuit particulier. Pour la construction des dispositifs perfectionnés selon les Fig. 2 et 3, on peut appliquer toutes techniques classiques. Après avoir prévu le substrat semi-conducteur de type N et diffusé les 25 zones P de source et de drain, on fait croître sur le dispositif une couche épaisse d'oxyde de silicium. Ensuite, la partie de la couche d'oxyde que l'on désire être plus mince est obtenue par attaque de la surface du substrat, puis on fait croître une couche mince sur au-dessus des zones attaquées et non attaquées. De cette fa-30 çon, on obtient les portions minces et épaisses de la couche d'oxyde de silicium. Enfin, une couche de nitrure de silicium et line couche conductrice, en aluminium par exemple, sont placées au-dessus de l'ensemble au moyen de tout procédé connu. La Fig. 4 représente une série de courbes caractéristiques qui 35 montrent comment l'épaisseur de la partie plus épaisse de la couche d'oxyde peut être utilisée pour contrôler la valeur maximale de la tension de seuil. Les lignes enjtrait interrompu concernent le dispositif de la Fig. 1 et l'on voit qu'en appliquant une impulsion de tension positive +Vg ou négative -Vg pendant une certaine durée 40' (sur l'abscisse';, on psut faire varier la tension de seuil Vth 71 42609 7 2116410 entre une certaine valeur positive et une certaine valeur négative (sur l'ordonnée) . Comme on l'a vu, ceci peut avoir des effets indésirables sur le dispositif. La ligne en trait plein de la Fig. 4 représente la tension de seuil par rapport aux caractéristiques de 5 durée pour la même impulsion, mais dans les dispositifs perfectionnés des Fig. 2 et 3. Dans ces cas, on voit que par suite de l'épais seur d'e la partie épaisse des couches d'oxyde de silicium, la valeur maximale de la tension de seuil est limitée à une certaine valeur négative. Ceci est dû au fait qu'il n'y a pas de mémoire assoie ciée à la partie épaisse de la couche d'oxyde. Il est donc nécessaire d'appliquer une certaine tension négative à la couche d'aluminium pour créer le canal au-dessous de la zone épaisse. Par contre, comme la partie plus mince de l'interface entre la couche d'oxyde et la couche de nitrure présente les caractéristiques d'une 15 mémoire, la tension de seuil à laquelle le canal est créé sous cette partie du dispositif, reste toujours variable. Grâce aux dispositifs perfectionnés, la tension de seuil peut être rendue variable entre une valeur légèrement négative et une valeur négative plus • grande. La tension de lecture appliquée au dispositif peut donc ê-20 tre comprise entre deux valeurs. En conséquence, une seule source de courant est nécessaire et il n'y a pas lieu de limiter les valeurs par d'autres moyens que ceux dont on dispose généralement. On a supposé dans ce qui précède que les dispositifs décrits 'et représentés sont à canaux P. Cependant, on pourrait utiliser 25 des dispositifs à canaux N pour obtenir les mêmes performances, sauf que toutes les tensions auraient naturellement une polarité inverse. De plus, il faut noter que si un dispositif iiNOS a été choisi pour la description, on peut tout aussi bien utiliser n'importe quel type dans lequel une interface peut être créée entre 3D deux matériaux isolants, l'un possédant un pouvoir élevé de blocage de charge (par exemple la couche de nitrure de silicium) et l'autre un faible pouvoir de blocage de charge (par exemple la couche d'oxyde de silicium). A titre d'exemple, on peut remplacer la couche de nitrure de silicimi par de l'oxyde d'aluminium. 3n outre, 35 on peut faire appel, au lieu de silicium, à tout autre matériau semi-conducteur. 71 42609 8 2116410 BOTBTOICATIOHS 1. Transistor-mémoire isolé à porte et effet de champ, comprenant un substrat semi-conducteur d'un premier type de conductivité et pourvu d'une première et d'une seconde zone d'un second type de 5 conductivité destinées à constituer respectivement la source et le drain,, ainsi qu'une première couche isolante recouvrant une zone de canal du substrat entre la source et le drain, une seconde couche isolante recouvrant la première et une électrode de porte recouvrant la seconde couche isolante, caractérisé par le fait que la 10 première couche isolante (16) possède une première épaisseur dans une première zone (40) recouvrant une partie de ladite zone de canal, et une seconde épaisseur dans une seconde zone (38) recouvrant une autre partie de cette zone de canal contiguë au drain (34), la seconde épaisseur étant supérieure à la première. 15 2. Transistor selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la première épaisseur est comprise entre 15 et 60 angstrcma 3. Transistor selon la revendication 2, caractérisé par le ~ fait que la première épaisseur est d'environ 30 angstrôms. 4. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 20 prises séparément, caractérisé par le fait que la seconde épaisseur est comprise entre 200 et 1000 angstrôms. 5. Transistor selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la seconde épaisseur est d'environ 400 angstrôms. 6. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 25 prises séparément, caractérisé par le fait que l'épaisseur de la seconde couche isolante est comprise entre 400 et 1000 angstrôms. 7. Transistor selon la revendication 6, caractérisé par'le fait que la seconde couche isolante est d'environ 750 angstrôms. 8. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 80 prises séparément, caractérisé par le fait que le substrat (12) est en silicium, que la première couche isolante (36) est en. oxyde de silicium et que la seconde couche isolante (44) est en nitrure de silicium. 9. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 35 prises séparément, caractérisé par le fait que la première couche isolante est de ladite seconde épaisseur dans une troisième zone (60) recouvrant une partie de la zone de canal contiguë à la zone de source (55).