Brevet FR2256511A1 — publié le 19750725

La présente invention concerne d'une façon générale les procédés pour utiliser les dispositifs à effet de champ à grille isolée comme cellules de mémoire permanente, et plus particulièrement des procédés pour utiliser un décalage du niveau de la tension de seuil, dans les cellules de mémoire à effet de champ comportant au minimum deux matières différentes d1isolement de grille, dont l'une laisse passer les charges d'une première polarité et retient les charges de polarité opposée et ltautre laisse passer les charges de ladite polarité opposée et retient les charges de ladite première polarité. Avec 1 'avènement de la technique des ordinateurs, on voit s'accroître la demande de calculateurs peu encombrants, fonctionnant à des vitesses élevées, et pourvus d'une mémoire et de moyens de stockage de grande capacité. Pour programmer les ordinateurs, de fabrication actuelle, on utilise des mémoires inaltérables à semiconducteurs. Un procédé pour fabriquer des mémoires inaltérablés de façon économique, consiste à produire par lots des tranches de matrice de mémoire, puis à programmer ultérieurement cette matrice dans l'état souhaité.Les progrès de la technologie ont abouti à l'utilisation de deux procédés distincts pour programmer ces matrices, dont l'un consiste à faire appel à des techniques mécaniques pour connecter sélectivement les dispositifs souhaités à l'aide dtun jeu spécifique de masques de traitement. Ce procédé de programmation peut également consister à mettre électriquement en circuit ouvert les interconnexions de métallisation. l'autre procédé de programmation consiste à emmagasiner une charge sur des transistors ou des jonctions de transistors spécifiques et à ne pas emmagasiner de charge sur les autres.On a essayé, en utilisant ce procédé, de créer des matrices de mémoire reprogranimables en déchargeant la configuration précédente de transistors chargés et de transistors non chargés, puis en rechargeant sélectivement une nouvelle matrice de transistors "de mémoire". Des procédés utilisant des transistors métal-nitrure-oxyde- semiconducteurs à effet de champ (ci-après appelés Mu05), qui consistent à inJecter par effet tunnel des électrons, sous la grille, entre la couche d'oxyde et la couche de nitrure, pour commander les tensions du seuil du dispositif, ont été proposés, par exemple par Wsllmark et Scout, dans l'article intitulé teSwitcEing and Storage oharacteristics of MOS Memory Transistors", RCA Review 30, 335 (1969).On a essayé d'utiliser des transistors NOS à double grille, dans lesquels la couche d'inversion émet des électrons excités dans la zone de la grille, ainsi que le décrivent 1)111 et Toombs dans l'article intitulé nA New RENON Charge Storage Effet", Solid-Staté Electronics 12, 981 (1969).On a essayé également de créer des mémoires inaltérables programmables dans des dispositifs MOS en utilisant une structure à grille flottante qui stocke des électrons que l'on injecte dans la région de la grille en produisant un effet d'avalanche au niveau d'une jonction, ainsi qu'il est décrit par Prohmann-Bentchkoswky, dans l'article intitulé nA fully Decoded 2048 Bit Electrically Programmable MOS ROM", IEEE ISSU, Session VII, page 7,3 (1971). L'injection d'électrons par effet tunnel, entre la couche d'oxyde et la courbe de nitrure d'un dispositif MNOS, exige que la couche d'oxyde thermique soit très mince (inférieure à 500Â), ce qui est très difficile à réaliser et à reproduire par des procédés de fabrication en série. Ce procédé d'injection par effet tunnel présente en outre l'inconvénient d'exiger l'application à la fois d'une tension positive et d'une tension négative au circuit de protection de la grille et aux circuits d'adressage. Les dispositifs utilisant des transistors MOS à double grille présentent l'incon- vénient de ne pouvoir fonctionner qu'avec des tensions très élevées. Quant aux dispositifs de mémoire à grille flottante, ils sont aiSé ment programmables mais ne peuvent entre effacés électriquement que par des moyens compliqués et peu pratiques. L'invention vise donc à créer - un procédé pour commander la tension de seuil des dispositifs de mémoire à transistors à effet de champ, qui n'utilise que des tensions d'une seule polarité - un procédé pour commander la tension de seuil d'un dispositif de mémoire à transistors à effet de champ pouvant fonctionner avec des tensions relativement peu élevées ; - des moyens pour emmagasiner et effacer électriquement une charge dans un dispositif de mémoire à transistors à effet de champ, ces moyens offrant ainsi des possibilités de reprogrammation. Le procédé suivant l'invention consiste à écrire dans une cellule de mémoire à transistors à effet de champ à grille isolée, en opérant un décalage positif de la tension de seuil du dispositif par une augmentation de cette tension par rapport à sa valeur =n- trinsèque initiale. Pans cette application, le niveau de la tension de seuil intrinsèque est la valeur spécifique résultant du procédé particulier employé, ainsi que de la conception et de la structure particulières utilisées, par exemple, l'épaisseur des couches d'oxyde et les concentrations de matières de dopage.Pans les dispositifs à transistors à effet de champ à grille isolée, à canal n, comportant une première et une seconde couches d'isolement de grille, dont l'une conduit les charges d'une première polarité et retient les charges de polarité opposée, et l'autre conduit les charges de ladite polarité opposée et retient les charges de ladite première polarité, cette augmentation du seuil est obtenue en augmentant, de façon appropriée, la tension de la jonction du drain jusqu'au moment où se produit une rupture en avalanche. Les porteurs majoritaires transitent, par un effet d'avalanche de la jonction du drain à la source et aux régions du substrat qui avaient été antérieurement reliées à la masse.Si l'on applique simultanément à la grille, une faible tension de méme polarité que la source, certains des porteurs d'avalanche, traversent la première couche d'oxyde de la grille et sont retenus entre les deux couches d'isolement de la grille. Pour effacer la cellule de mémoire, on fait revenir la tension de seuil du dispositif à une valeur pratiquement égale à la valeur intrinsèque en augmentant la tension de la grille jusqu'à un niveau suffisant pour déclencher l'injection, dans les couches d'isolement, de charges de polarité opposée, a partir de la grille. Le drain, la source et le substrat étant maintenus au potentiel de la masse, 11 injection se produit de préférence à proximité des charges enprisonnées. Les charges de polarité#opposée injectées sont ainsi attirées vers les charges emprisonnées, les neutralisent et de ce fait, ramènent la tension de seuil du dispositif à une valeur proche de sa valeur intrinsèque D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels : : - la ig. l représente une mémoire permanente MNOS à canal n à laquelle est appliqué un mode de réalisation du- procédé selon l'invention ; - la Fig. 2 donne un exemple type de caractéristique, tensioncourant (V-I) du niveau de la tension de seuil du dispositif MSOS de la Fig. 1, la courte 2a représentant la tension de seuil intrinsè axe, la courbe 2b, la tension de seuil augmentée-après l'opération d'emmagasinage et la courbe 2e, le niveau de seuil pratiquement revenu à sa valeur intrinsèque après l'opération d'effacement ;; - la Fig. 3 représente un dispositif d'injection MNOS à canal p utilisé dans un second mode de réalisation de l'invention, comportant des moyens d'injection de trous et d'électrons pour commander la grille flottante - la Fig. 4 représente schématiquement les dispositifs d'injection de trous et d'électrons du dispositif de la Fig. 3 ; - la Fig. 5 représente un mode de réalisation à deux bornes dans lequel le dispositif MOS de la Fig. 4 est constitué par les injecteurs de trous et d'électrons de la Fig. 3 - la Fig. 6 représente le dispositif de mémoire à canal p représenté schématiquement a la Fig, 4. Sur la Fig. 1, un substrat 1 de silicium mono cristallin de type n ayant une surface d'orientation (100) et une conductivité d'environ 4 à 6 ohms-cm, est utilisé comme matière de départ. Après la croissance d'une couche de masquage en oxyde thermique à la surface de ce substrat, on enlève sélectivement 11 oxyde sur les parties du substrat où doivent être formés des transistors. Ensuite, une couche d'oxyde de silane dopé au bore est déposée sur toute la surface de la plaquette.Le bore est ensuite diffusé dans les emplacements des transistors pour constituer une poche 3 de silicium de type p dans laquelle sera formé le transistor à canal n. Fendant la diffusion du bore, une épaisse couche d'oxyde thermique 11( de 10 000 à 15 000 ) est déposée par croissance sur toute la surface de la pla#quette. Après avoir retiré l'oxyde 11 au-dessus de la poche 3 de type p où l'on souhaite placer les contacts de la grille, de la source, du drain et les contacts d'isolement, on fait croire la couche d'oxyde 13 de la grille jusqu'à une épaisseur d'environ o 800 A. Puis la couche de nitrure de silicium 15 de la grille et le conducteur 23 de la grille sont déposés sur la plaquette.Par exemple, la. couche de nitrure de silicium peut avoir une épaisseur d'environ 500 . On utilise du nitrure de silicium parce que cette matière empêche les électrons de passer et vermet cependant le passage des trous. On peut également utiliser d'autres matières présentant cette caractéristique. Les couches d'isolement 13 et 15 sont ensuite partiellement enlevées des régions actives et des régions de contact, sauf dans la région du canal et de la couche épaisse d'oxyde 11. Après avoir déposé une couche 19 de silane dopé au bore sur toute la surface de la plaquette, puis retiré cette couche 19 sauf dans la zone du con tact d'isolement et sur les régions 11 où la couche d'oxyde est épaisse et qui ne recouvrent pas la région 3 de type p, on dépose sur la plaquette une couche 29 d'oxyde de silane dopé au phosphore. Après qu'une couche 31 d'oxyde de silane non dopé a été déposée, les matières dopantes respectives constituent, sous l'effet d'une diffusion ultérieure, la source 7 et le drain 5 de type n+ et la région du contact' d'isolement 9 du type p+. Une fois que les zones de la couche d'oxyde de contact devant être enlevées ont été découpées, les contacts métalliques sont déposés par vaporisation. Pans ce mode de réalisation, le conducteur de la grille 17 est en mo- lybdème ( qui peut être déposé jusqu'à une épaisseur d'environ 3000 A0 > niais on pourrait utiliser du silicium polycristallin ou un métal de grille quelconque dans lequel l'application d'un champs électrique détermine un abaissement de la barrière de Schottky et permet ainsi d'injecter des trous.On trouvera une description plus complète et plus détaillée du procédé NNOS décrit ci-dessus dans le brevet des E.U.A. numéro 3.673.679. Pour que le dispositif MNOS à canal n de la Fig. 1 puisse fonctionner comme une mémoire, on porte tout d'abord la tension de seuil à une valeur plus positive de plusieurs volts que la valeur intrinsèque initiale. Pour ce faire, on augmente la tension du drain jusqu'au moment où se produit une rupture en avalanche. La concentration de la poche d'isolement 3 doit se situer aux alentours de 3 à 5 x 1016 atomes/cc pour garantir une tension de seuil initiale positive.Avec cette concentration, l'application d'une tension de polarité inverse d'environ 20 à 30 volts aux diffusions constituant la source et le drain, détermine un effet d'avalanche au niveau de ces dernières. Lorsqu'unie faible tension positive est appliquée à la grille 23, des électrons excités qui sont injectés à partir de la jonction 6 soumise à l'effet d'avalanche traversent la couche d'oxyde de silicium 13 et sont emprisonnés entre la couche de nitrure et la couche d'oxyde. Cette charge négative supplémentaire appliquée entre le contact 23 de la grille isolée et le canal, augmente effectivement la tension de seuil du canal, dans la région proche de la jonction 6, à environ 8 volts, suivant 11 épaisseur relative des couches de nitrure et d'oxyde d'une part, et la valeur de la tension d'avalanche d'autre part.L'augmentation du seuil d'une région étroite du canal a essentiellement pour effet de porter la tension de seuil effective de l'ensemble du canal à peu près à la même valeur. Ainsi, pendant l'opération d'emmagasinage, la tension de seuil est portée à un niveau positif supérieur ou est laissée à sa valeur intrinsèque, suivant l'état dans lequel on souhaite placer la cel- lule. Ainsi qu'il a été décrit précédemment, pour effacer les informations emmagasinées dans la cellule de mémoire, on relie électriquement à la masse les contacts du substrat, de la source et du drain et l'on applique à la grille une tension positive relativement élevée d'environ 40 à 50 volts. Ce potentiel de grille élevé crée un champ électrique important au voisinage des charges emprisonnées et détermine un abaissement de la barrière de Schottky entre la grille de molybdène et la couche de nitrure sous-jacente. Il en résulte donc une injection de trous dans le nitrure à partir de la grille. Ces trous sont attirés vers la charge négative emprisonnée et la recombinaison de trous et d'électrons emprisonnés qui en résulte ramène le niveau de la tension de seuil du dispositif à une valeur proche de sa valeur intrinsèque. Sur la Fig. 2, la courbe 2a indique la valeur intrinsèque-approximative du niveau de la tension de seuil avant 1'opération d'ai- magasinage. La courbe 2b indique l'augmentation d'environ 8 volts du niveau de la tension de seuil après l'opération d'emmagasinage. Les tensions de drain et de grille appliquées sont d'environ 20 volts et sont maintenues pendant approximativement 5 secondes La courbe 2c est la caractéristique de la tension de seuil après l'opé- ration d'effacement pendant laquelle le niveau de tension est ramené à environ 1 W. Pour exécuter cette opération d'effacement, on augmente la tension des grilles à 50 V. Ainsi, comme on peut le voir d'après la courbe 2a et 2c, les informations stockées dans la cellule de mémoire ont pratiquement été effacées et la cellule est prête à recevoir une nouvelle instruction d'emmagasinage. Sur les Fig. 3 et 4, on a représenté un second mode de réalisation de l'invention dans lequel des diodes d'injection 51 et 53 co- portent un substrat 50 de type n dans la surface duquel ont été déposées des poches 52 et 54 d'une matière ayant une conductivité de type p. Dans les poches 52 et 54, on a diffusé une fine couche 60 d'une matière de type n extrtmement concentrée (n+) qui relie lesdites poches sans interruption. Néanmoins,cette couche peut ne pas relier de fa çon continue Car elle sert à dÙninuer la tension de roture de cette jonction prn particuliere. Une couche paisse 56 d'oxyde recouvre le substrat,les poches et les couches. Sur c.rtainea-parties de la poche 54 et de la touche 60 est déposée une région d'oxyde nonce 58' qui, pour des raisons de commodité est re présentée sur la Fig. comme étant du même oxyde que ltoyde de la couche épaisse 58. Sur certaines parties de la poche 52 et de la couche 60, est déposée une couche 55 de nitrure, d'une épaisseur à peu près égale à celle de ladite couche mince d'oxyde. -La couche 56 formant la grille, appelé ci-après "grille enterrée", est directement déposée sur des régions de oxyde 58, sur la couche de nitrure 55 et sur la couche d'oxyde mince 58'. Cette grile enterrée 56 est ultérieurement incluse dans un oxyde (indiqué par le numéro de référence 70 sur la Fig. 6) de sorte qu'elle se trouve totalement isolée du point de vue électrique. Des contacts de métallisation 52' et 54' établissent une connexion électrique avec les poches 52 et 54, respectivement.Un contact 49', qui est connecté au substrat 50, est normalement relié à la masse. Il est plus facile de comprendre le fonctionnement des diodes d'in#ection de la Fig. 3, en se réfèrant aux Fig. 4 et 6. Sur la Fig. 4, les contacts 52' et 54' constituent respectivement les anodes de la diode 53 d'injection de trous et de la diode 51 d'injection d'électrons 51. La grille enterrée 56 est la grille du dispositif à effet de champ 61. Les diodes 51 et 53 représentent respectivement le dispositif d'injection d'électrons et le dispositif d'in- jection de-trous qui sont illustrés à la Fig. 3. Le dispositif à effet de champ 61 peut entre un dispositif#M0S classique à grille enterrée dont les poches 72 et 74 constituent la source et le drain, modifié de façon à comporter la grille enterrée 56. La grille enterrée 56 est la grille# enterrée des diodes d'injection 51 et 53 ; en d'autres termes, la grilles enterrée du dispositif MOS 61 se prolonge de façon à recouvrir les poches 62 et 54 des diodes Ce dispositif peut être fabriqué suivant le procédé décrit au brevet précite. L'appareil fonctionne de la: façon suivante. Pans des conditions de fonctionnement normales, le canal formé entre la source 57 et le drain 59 sur la Fig. 6, a une conductivité de type n et n'est pas inversé. Cependant, si une tension négative suffisamment importante est appliquée au contact 54t de la diode 51 d'injection d'électrons et si la-masse du circuit est appliquée au contact du substrat 49', des électrons et des trous sont soumis à un effet d'avalanche. Certains des électrons soumis à cet effet d'avalanche traversent la couche d'oxyde mince de la région des diodes, qui, comme il a été expliqué préeedemment, laisse passer les électrons et retient les trous et sont attirés vers la grille enterrée conductrice 56 qui recouvre cette région.Du fait que la grille enterrée 56 est élec- triquement isolée, cette charge sur la position de la grille qui recouvre la région 58', se répartit à la surface et atteint un potentiel uniforme. Le silicium polycristallin est une matière adéquate pour cette grille enterrée 56 mais toute autre matière appropriée peut entre utilisée. Lorsqu'une charge suffisante est obtenue sur la grille 56, cette charge inverse la région du canal (un décalage positif dans VTX) et laisse alors passer le courant entre le drain et la source du dispositif 61 ; en d'autres termes, le dispositif de mémoire prend un état logique. Le dispositif peut rester indéfiniment dans cet état logique car la grille enterrée 56 est électriquement isolée et en conséquence, il n'* pratiquement pas de fuite à partir de la grille. Ainsi une fois qu#'il a pris cet état logique, le dispositif reste dans cet état jusqu'à ce qutil soit reprogrammé. Pour reprogrammer la cellule de mémoire, on applique une tension négative élevée à l'anode 52' de la diode d'injection de trous 53, les régions 50 et 60 étant électriquement reliées à la masse. Cependant, lorsque la tension d'avalanche est atteinte, des trous (qui sont libérés en même temps que des électrons pendant l'effet d'avalanche) traversent la couche de nitrure 55 de la diode d'injection de trous (qui retient les électrons et les empêche ainsi d'atteindre la grille enterrée 56). Les trous atteignent la grille 56 et neutralisent la charge négative qui y a été antérieurement emmagasinée. Si cette tension-négative est appliquée suffisamment longtemps, toute la charge négative pré-existante sur la grille peut être neutralisée, ce qui permet au canal 75 du dispositif 61 de répendre son état normal, c'est à dire sa conductivité du type n, rendant ainsi le dispositif non conducteur. Le dispositif a donc été reprogrammé de façon à prendre son autre état logique et il est prêt à être programmé de nouveau. Selon une variante de ce mode de réalisation, au lieu d'utiliser le dispositif à quatre bornes décrit ci-dessus pour produire des électrons, on soumet le drain 59 à l'effet d'avalanche et non la diode 51 d'inXection d1él-ectrons Ensuite, on provoque un effet d'avalanche au niveau de la diode d'injection de trous 53 pour ramener le seuil du dispositif 61 à la valeur la moins positive. La Fig. 5 représente en coupe un mode de réalisation à deux bornes obtenu en utilisant également les diodes d'injection de la Pig. 3 comme dispositif MOS 61 de la Fig. 4. Dans ce mode de réa lisation, la couche 60' du type n+ ne doit pas s'étendre sur toute la largeur du canal. Sur la Fig. 5, les régions 60' peuvent s'étendre sur le canal jusqu'à la région épaisse d'oxyde 58. Comme spécifié précédemment, la couche 60' peut prolonger le canal mais, comme on le voit sur la Fig., ceci n'est pas obligatoire. Les bornes 57 et 59 de la Fig. 4 correspondent donc à 52' et 54' dans ce mode de réalisation à deux bornes. Pour des raisons d'ordre pratique, les bornes 52', 54' et 591 ne sont pas représentées sur la Fig. 5.Cet appareil fonctionne de la façon suivante : lorsque la source 52' et le substrat 49' sont électriquement reliés à la masse et qu'une tension négative importante est appliquée au drain 54' jusqu'à ce qu'il se produise un effet d'avalanche des électrons excités traversent la couche d'oxyde fin et répartissent une charge négative sur la grille enterrée 56. Cette charge sur la grille 56 induit une région d'inversion dans la zone du canal séparant les poches 52 et 54, contiguës à la couche 6-0', de sorte que le dispositif devient conducteur entre les poches 52 et 54, c'est à dire prend un état logique. Ensuite, on relie à la masse la région 54 et on applique une tension négative élevée à la région 52 jusqu'à ce que se produise un effet d'avalanche, afin qu'une grande quantité de trous traversent la région de nitrure 55 pour neutraliser la charge négative sur la grille 56. Lorsque la charge sur la grille enterrée 56 est pratiqrEnt nulle ou positive, le canal opère une réinversion, de sorte que le dispositif devient non conducteur, c'est à dire, prend son autre état logique. Il va de soi que l'invention permet d'utiliser aussi bien des transistors à effet de champ à grille isolée à canal p qu'à canal n. Il est également évident que, dans le cadre de l'invention, les matières d'isolement de la grille ne se limitent pas à oxyde de silicium et au nitrure de silicium mais qu'on peut utiliser d'autres matières appropriées. - REVENDICAXIONS 1 -Mémoire permanente reprogrammable à semiconducteurs comportant un substrat vet une grille flottante recouvrant ledit substrat, caractérisé en ce qutelle comprend des moyens d'injection de trous située dans ledit substrat et partiellement au moins sous ladite grille et des moyens d'injection d'électrons placés au moins partiellement sous ladite grille et séparés desdits moyens d'injection de trous dans ledit substrat, ladite grille flottante étant sélectivement chargée et déchargée électriquement par lesdits moyens d'injection de trous et d'électrons. 2 - Mémoire suivant la revendication 1, caractérisee en ce que lesdits moyens d'injection de trous et lesdits moyens d'inJections d'électrons constituent une première et une seconde jonctions p-n. 3 - Mémoire suivant la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites première et seconde jonstions p-n comportent une région fortement dopée pour abaisser leur tension d'avalanche. 4 - Mémoire suivant la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens d'injection de trous comportent également une première région d'isolement qui conduit les porteurs de trous et retient les porteurs d'électrons. 5 - Mémoire suivant la revendication 4, caractérisée en ce que ladite première région d'isolement est en nitrure. 6 - Mémoire suivant la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens d'injection d'électrons comprennent une seconde région dtisolement qui conduit les porteurs d'électrons et retient les porteurs de trous. 7 - Mémoire suivant la revendication 6, caractérisée en outre en ce que ladite seconde région d'isolement est en oxyde. 8 - Mémoire suivant la revendication 2, caractérisée en outre en ce qu'elle comprend une troisième et une quatrième jonctions p-n constituées par deux régions séparées, électriquement contactables situées dans ledit substrat sous ladite grille ayant une conductivité de type opposé à celui de la conductivité dudit substrat. 9 - Mémoire suivant la revendication 2#, caractérisée en outre en ce que lesdites première et seconde jonctions p-n sont conçues de façon à être soumises à un effet d'avalanche lors de l'utilisation de ladite mémoire.