Brevet FR2273376A1 — publié le 19751226

L'invention concerne le domaine des dispositifs à semi-conducteurs et se rapporte plus particulièrement aux dispositifs de pompage de charge. Le pompage de charge dans les dispositifs MOS (métal-oxydesemi-conducteur) à été décrit dans la littérature technique. On renverra à ce sujet notamment à l'article de Brugler J. 5. et Jesper P.G.A "Charge Pumping in MOS Devices" publié dans IEEE Transactions on Ele#tron Devices" Vol. ED-16, n0 3, mars 1969. Il a été découvert qu'une charge fixe est injectée dans le substrat d'un dispositif MOS, chaque fois que la couche d'inversion crée par la tension-de porte disparaît.Une couche d'inversion, composée de porteurs minoritaires provenant presqutexclusivement de l'élément de source, est formé sous la porte, lorsqu'un potentiel est appliqué à la porte, et occupe une très mince couche (de l'ordre de 50 ) sur la surface du substrat au-dessous de la porte. Lorsque le potentiel de porte est supprimé, ces porteurs minoritaires ont tendance à retourner à la source mais il n'y perviem- nent pas tous et certains sont perdus dans le substrat où ils se recombinent avec des porteurs majoritaires. Etant donné qu'un pourcentage important des porteurs de la couche d'inversion retournent à la source, l'importance de la charge pompée à chaque cycle de tension de la porte est fortement inférieure à celle quelle pourrait être pour un dispositif particulier quelconque. La présente invention, en barrant le trajet de retour à la source des porteurs minoritaires, permet de réaliser une amélioration importante du rendement de pompage des dispositifs de pompage de charge. Un rendement amélioré a été obtenu dans la technique antérieure en portant la porte à quelques volts au-dessous de zéro lorsque la couche d'invertion disparaît de façon à porter le substrat à l'état d'accumulation mais ce procédé rend les circuits servant à protéger le dispositif des-dommages dus aux charges statiques difficiles à réaliser en pratique et ainsi ce procédé est indésirable. La présente invention améliore le rendement des dispositifs de pompage de charge en empêchant les porteurs minoritaires de la couche d'inversion située sous la porte de retourner à la source lors de la disparition de la couche. Une couche d'inversion est formée sous la porte d'un dispo sitif MOS lorsque la tension dépasse une certaine valeur de seuil qui dépend d'un certain nombre de facteurs parmi lesquels la con ductilité du substrat. La tension de seuil est d'autant plus élevée que la conductivité du substrat est élevée. En formant une bande de substrat, entre la source et la région principale de la couche d'inversion, plus fortement dopée que la couche d'inversion principales, le seuil de cette bande est supérieure au seuil de la région d'inversion principale et, ainsi, lorsque la tension de porte est supprimée, l'inversion disparatt en premier lieu dans ka bande#fortement dopée.Les porteursminoritaires de la région d'inversion principale sont ainsi piégés et incapables de retourner à la source. a Un autre mode de réalisation de l'invention utilise une structure à porte double pour piégér les porteurs minoritaires dans la région d'-inversion principale. En prévo-y ant une petite région entre la région d'inversion principale et la source, commandée par une seconde porte dont le potentiel peut être supprimé avant que ne- le soit le potentiel de la porte prin#ciaple, les porteurs mi toritaires peuvent tre piégés d'une manière similaire. D'autredcaractéristiques de l'invention ressortiront à la Iec- ture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels : la Fig. 1 est une vue en coupe schématique d'un dispositif de pompage de charge selon la technique antérieure la Fig. 2 représente la forme d'onde de la tension de porte requise pour faire fonctionner le dispositif de la Fig. 1 la Fig. 3 est une vue en coupe schématique d'un premier mode de réalisation du dispositif de pompage de charge de la présente invention la Fig. 4-représente la forme d'onde d'une tension de porte qui peut être utilisée pour faire fonctionner le dispositif de la Fig. 3 la Fig. 5 est revue en coupe schématique d'un second mode de réalisation du dispositif de pompage de charge de la présente invention. Une couche d'inversion a été représentée qui correspond à 1k condition suivant laquelle une tension est appliquée aux deux portes ; la Fig. 6 représente lesformesd'onde de tension de porte qui peuvent être utilisées pour faire fonctionner le dispositif de la Fig. 5 Fig. 5 ; la Fig. 7 est une vue en coupe schématique du dispositif de la Fig. 5 sur laquelle la couche d'inversion a été représentée après que la tension a cessé d'être appliquée à la porte 37. Sur la figure t à laquelle on se référera en premier lieu, on a representé un dispositif de pompage de charge NOS 10 construit de la façon décrite dans la technique antérieure. Le dispositif comporte un substrat en silicium de type p Il une source de type n 12 et une porte isolée 13. Si une tension positive VG ( par rapport au substrat 11) est appliquée à la porte 15, des porteurs minoritaires sont fournis par la source 12, et une couche d'inversion, telle qu'indiquée par la ligne en pointillé 14 est formée dans le substrat. Lorsque la tension est supprimée, les porteurs minoritaires (qui dans ce mode de realisation sont des électrons dans un substrat de type p) s'écoulent en retour dans la source lorsque l'inversion disparate.Cependant, tous les électrons ne retournent pas à la source et certains sont piégés dans le canal et se recombinent avec les porteurs majoritaires du substrat. L'application répétitive de la tension à la porte entrasse le piégeage répétitif d'électrons et ainsi il existe un flux continu utile de courant dans le circuit source-substrat. La valeur moyenne du courant est proportionnelle à la fréquence d'application de la tension de porte comme il était prévisible avec le mécanisme décrit. Cet effet est appelé pompage de charge". Comme décrit, la plupart des électrons de la couche d'inversion retournent à la source et un très petit courant seulement est obtenu au moyen de l'effet de pompage de charge. Afin d'accroire le flux de courant, les dispositifs de pompage de charge réalisés en pratique fonctionnent en appliquant cycliouement à la porte une certaine tension positive, pour engendrer la couche d'inversion, puis une tension négative de quelques volts, portant le substrat à l'état d'accumulation, au lieu d'utiliser une tension positive et une tension nulle comme indiqué ci-dessus. (Les polarités indiquées seraient inversées pour un dispositif à canal du type p). La tension négative portant la surface du substrat à l'état d'accumulation provoque le piégeage d'une plus grande- quantité de porteurs de charge alors qu'ils essaient de retourner à la source. Une forme d'onde typique pour cotte condition est représentée sur la Fig. 2. L'utilisation d'une tension de porte négative, bien qu'elle accroisse le rendement du dispositif, présente des problèmes importants pour l'application des dispositifs de pompage de charge. Comme il est bien connu dans la technique, l'élément de porte dans un dispositif MOS, étant bien isolé, est susceptible d'être char ge statiquement à un point provoquant la rupture de la couche d'isolation de porte et la destruction du dispositif. Ceci est normalement évité au moyen de circuits couplés au conducteur de porte qui empêchent l'application à la porte d'une tension dépassant un niveau de sécurité. De tels circuits sont difficiles à réaliser et ne sont pas pratiques dans le cas d'un dispositif dans lequel la porte passe alternativement à une tension négative de plusieurs volts. Le dispositif de pompage de charge de l'invention résoud ce problème étant donné qu'une structure a été réalisée qui améliore le piégeage des porteurs minoritaires dans la région de canal sans qu'il soit nécessaire d'inverser la tension de porte. Sur la Fig. 3 à laquelle on se référera maintenant, on a représenté le dispositif de pompage de charge perfectionné de l'invention qui comporte un substrat de type p 21, une source de type n 22 et une porte 23. La porte 23 qui peut être en métal ou en matière semi-conductrice est séparée du substrat par une couche isolante 25 comme dans les dispositifs classiques de la technique antérieure. En un emplacement adjacent à la source 22 et au-dessous de la porte 23 se trouve une région de type p+ fortement dopée 26. Le dopage de la région 26 est, de préférence, tel que la tension de seuil pour la formation de la couche d'inversion dans la région 26 est supérieure de quelques volts à celle du substrat 21. Ceci conduit à la formation d'une couche d'inversion dam le dispositif qui peut être représenté par la ligne en pointillé 24. Si une forme d'onde de tension telle que celle représentée sur la Fig. 4 est appliquée à la porte 25, la couche d'inversion 24 est formée pendant la période de temps au cours de laquelle la tension VG est à sa valeur positive maximale. Lorsque la tension VG retombe à O, les électrons de la couche 24 commencent à s'écouler en retour dans la source 22 mais, à une certaine tension supérieure à O, la couche d'inversion dans la région 26 n'est plus entretenue tandis que la couche continue d'exister dans d'autres parties du substrat 21 sous la porte. La disparition de la couche d'inversion dans la région 26 piège efficacement les électrons res tants dans la couche d'inversion existant dans la région à tension de seuil inférieur et, finalement, ces électrons se recombinent avec des porteurs majoritaires du substrat.L'effet net est de pomper une charge négative de la source 22 dans le substrat 21. Des cycles de pompage répétitifs établissent un flux de courani entre la source et le substrat. L'existence d'une région à tension de seuil plus élevée entre la région de substrat (sous la porte) et la source provoque le piégeage d'un nombre beaucoup plus important de porteurs minoritaires dans le substrat à la suite de la disparition de la couche d'inversion que si la tension de seuil était constante dans toute la région située au-dessous de la porte. Le rendement de pompage de charge s'accroft en proportion de la surface au-dessous de la porte présentant la caractéristique de dopage plus faible du substrat.Cependant, la demanderesse a trouvé que, même lorsque la région plus fortement dopée 26 s'étend complètement au-dessous de la porte 23, une amélioration du rendement de pompage de charge peut également entre obtenue (par rapport au cas où l'on utilise un substrat sans région dopée) probablement du fait de l'accroissement du piégeage superficiel des électrons. Les dispositifs MOS utilisés en pratique, tels que le dispositif de pompage de charge de l'invention, sont le plus souvent fabriqués en tant que partie d'un circuit intégré comportant un grand nombre de dispositif sur la. mêae microplaquette. Dans de telles circonstances, des canaux indésirés peuvent être formés entre les dispositifs, du fait des tensions appliquées aux conducr teurs des dispositifs et lton tient compte de cette possibilité dans la réalisation du circuit. Un procédé courant pour résoudre ce problème consiste à entourer chaque dispositif NOS d'une ré- gion fortement dopée du même type de conductivité que le substrat. Si un tel porcédé est utilisé, il peut s'avérer avantageux de former la région 26 en même temps que les arrêts des canaux sont formés, permettant ainsi au dispos#itif de pompage de charge de l'invention d'être fabriqué sans étapes de traitement ou masques supplementaires. Un second mode de réalisation préférentiel de l'invention a été représenté sur la figure 5 et comporte un substrat de type p 31 qui contient une source 32 et une paire735 et 37. La porte 37 recouvre une petite région de substrat 31 en un emplacement ad jacent à la source 32 et-la porte 33 recouvre une région de substrat située au-delà de celle recouverte par la porte 37. Admettons que les formes d'ondes représentées sur la Fig. 6 soient respectivement appliquées aux portes 33 et 37 de la Figure 5. Lorsqu'une tension positive est appliquée aux deux portes, une couche d'inversion est formée dans le substrat 31 sous les deux portes, comme représenté par la ligne en pointillé 34. Lorsque la tension appliquée à la porte 37 retombe à zéro, la couche d'inversion située au-dessous de cette porte disparatmais la couche d'inversion située au-dessus de la porte 33 subsiste du fait de la tension appliquée à cette porte. Cette condition est représentée par la ligne 44 en pointillé sur la Fig. 7.Lorsque la ten-sion appliquée à la porte 33 retombe à zéro, les électrons dd la couche d'inversion 44 sont piégés et sont incapables de retourner à la source et ils sont recombinés avec les porteurs majoritaires du substrat, de la même manière que précedemment décrit en se référant au premier mode de réalisation du dispositif. Alternativement, en utilisant des diélectriques différents (c'est-à-dire des matières différentes) ou en choisissant des épaisseurs différentes des diélectriques situés au-dessous des portes 33 et 37, de telle sorte que la tension de seuil au dessous de la porte 37 soit la plus élevée, le pompage de charge peut être effectué en commandant les deux portes avec une source de tension commune. Les dispositifs de pompage de charge décrits dans la présente description de même que les dispositifs de la technique antérieure ont été utilisés et sont utilisés comme moyens pour "régénérer" des cellules de mémoire. Typiquement, la cellule de mémoire, qui peut être du type à stockage dynamique, peut #tre régénérée au moyen du pompage de charge et, pour l'utilisateur, la mémoire apparatt alors comme étant du type à stockage statique. Ce type de régénération est quelquefois appelé "régénération transparente". Les dispositifs de pompage de charge de la présente invention peuvent être également utilisés pour obtenir une source de courant faible qui peut remplacer une résistance de charge dans une bascule bistable, par exemple, en dehors de ses autres applications. On/décrit ci-dessus un nouveau dispositif de pompage de charge qui, pour plus de facilité, a été décrit sous la forme d'un dispositif à canal du type n mais il doit être entendu que des dispositifs à canal dú type p peuvent entre fabriqués de la manière dé- crite en utilisant des types opposés de manières semi-conductrices et des tensions de polarités opposées comme il est bien connu des spécialistes de la technique. EVENDICATICNS 1. - Un dispositif de pompage de charge à semi-conducteur caractérisé en ce qutil comporte un substrat d'un premier type de conductivité une première région disposée dans le substrat, du type de conductivité opposée au premier type de conductivité, cette première région étant prévue pour constituer une entrée pour le dispositif de pompage de charge une seconde région disposée dans le substrat, adjacente à la première région, cette seconde région étant du premier type de conductivité et plus fortement dopée que le substrat une porte disposée au moins au-dessus de la seconde région et isolée du substrat ; et un génératuer pour engendrer un signal de pompage de charge appliqué à la porte de telle sorte que la charge peut être pompée à partir de l'entrée du dispositif de pompage de charge. 2. - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première conductivité est du type p. 3. - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le substrat est couplé à une source de potentiel et en ce que le signal de pompage de charge du générateur est un signal périodique compris entre une tension approximativement égale au potentiel du substrat et une seconde tension. 4. - Un disr2ositif de pompage de charge à semi-conaucteur caractérisé en ce qu'il comporte un substrat d'un premier type de conductivité une première région disposée dans le substrat, du type de conductivité opposé au premier type de conductivité, cette première région étant prévue pour constituer une entrée pour le dispositif de pompage de charge une première porte disposée au-dessus du substrat et isolée du substrat, la première porte étant disposée adjacente à la première région une seconde porte disposée au-dessus du substrat et isolée du substrat et de la première porte, la seconde porte étant écartée de la ?première région et adjacente à la première porte ; et un générateur pour engendrer des premier et second signaux de pompage de charge appliqués respectivement a la première et à la seconde porte de telle sorte que la charge peut entre pompée à partir de 11 entrée du dispositif de pompage de charge. 5. - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le premier signal du générateur est déphasé par rapport au second signal du générateur de telle sorte que le champ produit par le premier signal disparalt avant la disparition du champ produit par le second signal. 6. - Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que la première conductivité est du type p.