Brevet FR2368784A1 — publié le 19780519

La présente invention est relative aux cellules de mémoire permanentes à seuil variable et se rapporte plus particulièrement aux cellules de mémoire à injection. On connait des cellules de mémoire de ce type comportant un dispositif semiconducteur à effet de champ, à grille isolée comprenant une source et un drain et ayant des moyens d'isolation de grille comportant deux matériaux d'isolation de grille dont l'un est capable de retenir de préférence des charges d'une polarité, l'autre étant adapté pour retenir de préférence des charges de polarité opposée. Le fonctionnement de ces cellules de mémoire consiste à introduire des données dans la cellule en élevant le potentiel positif sur la jonction de drain jusqu'à un niveau qui provoque le phénomène d'avalanche, tout en appliquant simultanément une faible tension ayant la polarité de la source, à la borne de grille, de façon à diriger certains des porteurs soumis au phénomène d'avalanche à travers l'un seulement des matériaux d'isolation de grille de sorte qu'une charge emprisonnée est emmagasinée à l'interface entre les deux matériaux d'isolation de grille.Lorsqu'on désire extraire l'information stockée dans la cellule, on augmente le potentiel sur la grille jusqu'à un niveau suffisamment élevé pour provoquer l'injection de charges de polarité opposée, à partir de l'électrode de grille dans les couches d'isolation, tout en maintenant les électrodes de source, de drain et de substrat à peu près au potentiel de la masse de façon que l'injection se produise de préférence à l'interface entre les couches d'isolation de grille, la charge emmagasinée à cet emplacement étant neutralisée pour ramener la tension de seuil à peu près à sa valeur intrinsèque. On connait également des mémoires métal-oxyde-semiconducteur électriquement altérables, à double injection et à grille flottante qui comportent un injecteur de trous constitué par un injecteur à jonction et un condensateur de déclenchement pour appliquer une tension de polarisation à l'électrode de la grille flottante afin d'améliorer le processus d'injection de trous, ainsi qu'un injecteur d'électrons à jonction. Une mémoire de ce dernier type comporte une jonction P et une jonction P Ivfrealisees dans un substrat de type P. Au-dessus des jonctions est placée une grille flottante constituée par une plaquette conductrice, en aluminium par exemple, isolée desdites jonctions par une couche d'arrêt mince. La jonction P+ N est destinée, lorsqu'elle est excitée,à injecter des charges négatives dans ladite grille flottante, alors que la jonction N P est destinée à assurer l'injection de charges positives dans ladite grille. La présence dans une seule cellule de mémoire de deux jonctions rend la cellule relativement encombrante d'autant que les deux jonctions précitées nécessitent des moyens de commande séparés. L'inventlon vise à remédier à l'inconvénient précité en créant une cellule de mémoire d'une constructeur relativement simple et moins encombrante que les cellules de mémoire mises au point jusqu'à ce jour. Elle a donc pour objet une cellule à injecteur et à grille flottante, caractérisée en ce qu'elle comporte une seule jonction formant injecteur de charges destinée à injecter soit des électrons, soit des trous dans ladite grille flottante lors de l'application à ladite jonction d'une polarisation inverse, au moins égale au seuil d'avalanche de ladite jonction et des moyens pour commander le fonctionnement de ladite jonction, en mode d'injection d'électrons, ou en mode d'injection de trous. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple - les Fig. 1 à 8 sont des vues en élévation et en coupe des étapes de fabrication d'un injecteur de cellule de mémoire suivant l'invention; - la Fig. 9 est un schéma électrique d'une cellule de mémoire suivant l'invention; - la Fig. 10 est une vue topographique de la cellule de la Fig. 9; - la Fig. il est un schéma électrique d'une matrice de mémoire constituée de cellules telles que celle de la Fig. 9. L'injecteur représenté à la Fig. 8 comporte un substrat 1 de type N dans la surface supérieure duquel sont formés par dopage une région 2 du type N et une région 3 du type P+ définissant entre elles une jonction 4. Les régions 2 et 3 sont disposées latéralement + et la jonction N ZP , 4 s'étend donc verticalement depuis la surface du substrat. La région de type Piest obtenue par un dopage au bore alors que la région de type N est obtenue par un dopage au phosphore.Du côté de la région 2 de type N+ opposé à la jonction 4, est formée par diffusion dans le substrat 1, une région 5 de type alors que du côté de la couche 3 de type pf opposé à la jonction 4, est formée par diffusion une région 6-de type P++; l'ensemble ainsi formé est revetu d'une couche de bioxyde de silicium 7 qui présente une portion mince 8 au-dessus des régions2 et 3 et de leur jonction 4. Une grille 9 constituée par un élément conducteur, en aluminium par exemple, est disposée sur la portion mince 8 de la couche 7 de bioxyde de silicium qui constitue une couche d'arrêt pour ladite grille. La grille 9 qui est isolée par rapport au reste du circuit est appelée grille flottante. Enfin la couche 7 de bioxyde de silicium est traversée par des éléments conducteurs de contact 10 et Il qui constituent des bornes reliées aux régions 5 et 6 respectivement. Dans le mode de réalisation de la Fig. 8 on voit qu'au lieu de deux jonctions diffusées N+P et P+N séparées qui dans la cellule de mémoire de la technique antérieure sont utilisées, l'une comme injecteur de charges négatives et l'autre comme injecteur de charges positives, une seule jonction P+ N+ à implantation ionique assure tour a tour les deux fonctions précitées. L'injecteur qui vient d'être décrit fonctionne de la façon suivante. La jonction 4 est polarisée jusqu'au déclenchement du phénomène d'avalanche, en appliquant a la borne il du circuit de la Fig. 8, une tension de polarisation négative et en reliant la borne 10 a la masse. Des élections et des trous sont alors engendrés sur la jonction 4. Lorsque la grille flottante 9 n'est pas polarisée, des électrons sont de préférence injectés a travers la couche mince 8 de bioxyde de silicium et atteignent la grille flottante 9. Une charge négative apparait alors sur la grille 9. Cette charge peut être détectée par exemple par un transistor MCS dont la grille est connectée à la grille flottante. On convient que la présence de charges sur la grille flottante 9 équivaut à l'état "1" de la mémoire et que l'absence de charges sur cette grille équivaut a l'état "O". Lorsque des charges négatives sont transférées à la grille 9 de la façon indiquée ci-dessus la cellule passe donc à l'état 1. Pour repasser à l'état zéro il faut décharger la grille flottante 9. Lorsque la grille flottante est polarisée négativement, les électrons qui s'y trouvent emmagasinés sont repoussés et des trous sont de préférence injectés dans la grille 9 à travers la fine couche de bioxyde de silicium. Cette injection de trous provoque la décharge de la grille flottante et par conséquent le passage a l'état O de la cellule. Pour que le passage de l'état logique 1 à l'état lo gique "O" de la cellule qui vient d'être décrite puisse se faire avec précision et soit reproductible, il est avantageux que la concentration en dopant soit la même dans les régions 2 et 3. En outre cette concentration doit être relativement faible pour que l'efficacité de l'injection soit suffisante. De plus, pour que l'injection a travers la couche 8 puisse avoir lieu correctement, il est nécessaire que les charges libérées au niveau de la jonction 4 aient une durée de vie suffisante. Or la durée de vie des charges varie en raison inverse de la concentration de sorte que cette concentration doit être relativement faible pour que l'efficacité de l'injection soit satisfaisante. Par rapport aux injecteurs à deux jonctions planar diffusées, l'injecteur suivant l'invention présente les avantages suivant. Du fait des possibilités d'intégration accrues, il permet de réaliser des mémoires d'un moindre encombrement. L'éfficacité de l'inscription et de l'effacement est accrue du fait que la jonction d'injection 4 est disposée audessous d'une couche de bioxyde de siliciume très pur et d'épaisseur commandée. L'injecteur est très simple a réaliser car, après la croissance de la mince couche 7 de bioxyde de silicium seuls des masques a réserve photographique sont nécessaires pour choisir la région 2 de type N+ et la région 3, de type P+ dans lesquelles des ions doivent être implantés. Le phénomène d'avalanche de la jonction d'injection 4 est amélioré car grâce à la technique d'implantation ionique on obtient une jonction très abrupte qui est bien contrôlée jusqu'à l'interface entre le silicium du substrat et le bioxyde de silicium de la couche mince 8. Un autre avantage de l'injecteur suivant l'invention peut être indiqué en remarquant que lorsqu'on utilise une jonction N++ P+ planar, diffusée, classique, le plan de la jonction est situé au-dessous d'un oxyde de phosphosilicate qui est deux fois plus épais que la couche de bioxyde de silicium pur obtenue au cours de l'oxydation de la grille sur le substrat de type N de sorte que l'efficacité d'injection est moindre qu'avec une telle jonction classique. En outre cet oxyde contient un grand nombre de pièges, ce qui peut expliquer l'effet de dégradation des cycles écriture /effacement observé dans tous les injecteurs planarà jonction diffusée. Avec la mince couche de bioxyde de silicium pur utilisé suivant l'invention, ce phénomène est pratiquement éliminé. Les étapes de fabrication nécessaires a la fabrication de l'injecteur décrit ci-dessus sont représentées aux Fig. 1 a 8 auxquelles on va se référer tour à tour. Comme représenté a la Fig. 1 une tranche de silicium dopé formant le substrat 1 de l'injecteur est oxydée thermiquement jusqu'à l'obtention d'une couche initiale d'oxyde 7 d'une épaisseur de 5000 à 10 000 t. La deuxième étape de la fabrication de l'injecteur est représentée à la Fig. 2. Un premier masquage au moyen d'une couche M1 de matériau de resine photosensible permet de définir par photolithographie, les zônes dans lesquelles on opérera une diffusion de type Nif+ en vue d'obtenir la région 5 de la Fig. 8. La profondeur de jonction de cette diffusion est de 1 à 2)4. Ainsi qu'on le voit à la Fig. 3, un deuxième masquage au moyen d'une couche M2 permet de définir par photolithographie les zônes dans lesquelles on opérera la diffusion de type P . Il s'agit de la région 6 de l'injecteur de la Fig. 8. La profondeur de jonction de cette diffusion est de 1 à 2r A la Fig. 4, un troisième masquage au moyen d'une couche M3 de matériau de résine photosensible permet de définir par photolithographie les zones dans lesquelles on fera croître la bioxyde de silicium mince destiné a former la couche 8 de l'injecteur de la Fig. 8. A la Fig. 5 on voit qu'un masquage au moyen d'une couche M4 de résine photosensible laisse dégagée la zône de la couche d'oxyde mince 8 recouvrant l'endroit où l'on va créer la région 2 de type N+ de la Fig. 8 par implantation d'ions. Cette implantation est une implantation de phosphore avec une énergie de 100 à 150 KeV et un teneur de 1 a 3 atomes par cm2. A la Fig. 6, on voit qu'un masquage au moyen d'une cruche M5 de résine photosensible laisse dégagée la zone d'oxyde mince 8 recouvrant l'endroit où, par implantation ionique de bore, on va créer la région 3 de type P de la Fig. 8. Cette implantation ionique est faite avec une énergie de 50 à 70 KeV jusqu'à ce qu'une teneur 2 à 6 1013 atomes par cm2 soit atteinte. Les masques Ifq et M5 des Fig. 5 et 6 présentent une zone de recouvrement de quelques microns, de manière que dans la zone de recouvrement, l'implantation de bore vienne transformer le dopage N+ par implantation de phosphore préalable, en un dopage Ps obtenu par surcompensation. En se référant maintenant à la Fig. 7 une couche de masquage M permet de-definir les ouvertures à travers la couche 7 d'oxyde épais qui donnent accès aux régions 5 et 6 de diffusion et P++. Après retrait de la couche de réserve Ms, une couche métallique obtenue par dépôt sous vide est masquée une dernière fois pour définir les bandes métalliques qui interconnectenties différents éléments du dispositif et obtenir la grille isolée 9 et les bornes 10 et 11 de l'injecteur de la Fig. 8. La cellule de mémoire dont la partie formant injecteur de charges est représentée à la Fig, 8, va maintenant être décrite en référence aux Fig. 9 et 1Q. Cette cellule comporte un injecteur 12 tel que celui de la Fig. 8 dont une première électrode 13 est connectée à la masse et dont l'autre électrode 14 est connectée au trajet sourcedrain d'un transistor d'adressage 15, à effet de champ, à grille isolée L'injeceeur est schématiquement représenté par deux triangles liés par leurs pointes, cette liaison indiquant la jonction. La grille du transistor 15 est connectée à une ligne d'adressage 16 de la cellule tandis que son drain est relié à une ligne d'écriture et de détection 17. La borne 14 de l'injecteur 12 est en outre connectée à la masse par l'intermédiaire du trajet source-drain d'un transistor MOS à effet de champ 18 dont la grille est d'une part connectée à la grille flottante 19 de l'injecteur et d'autre part, reliée à une ligne 20 de sélection d'écriture d'un zéro ou d'un un, par l'intermediaire d'un condensateur de déclenchement 21. Le rôle du transistor 18 est de détecter l'état de charge de la grille flottante 19. Le fonctionnement de la cellule de la Fig. 9 est le suivant Pour écrire un "1" dans la cellule, la ligne 16 d'adressage de la cellule est placée à un potentiel négatif élevé (-40 V par exemple). -La conduction du transistor 15 provoque l'application à la jonction de l'injecteur 12, par la ligne 17, d'une polarisation négative, jusqu'au point de claquage de ladite jonction. Un courant de l'ordre de 800 w A circule alors dans le trajet cons- titué par la ligne 17, le transistor 15, la jonction de l'injecteur 12 et la masse. La ligne 20 de sélection d'écriture d'un zéro ou d'un un est maintenue à la masse de sorte que la grille flottante 19 n'est pas déclenchée et l'injecteur 12 fonctionne comme injecteur d'électrons. Une charge négative est stockée dans la grille flottante 19 de sorte que la cellule se trouve ainsi a l'état "1 Pour écrire un "O", la ligne 16 d'adressage de la cellule est toujours placée a un potentiel négatif élevé. Par la ligne 17 d'écriture et de détection la jonction de l'injecteur 12 est rendue négative jusqu'a son point de claquage et un courant d'injection approprié (800 rA environ) circule dans la jonction. Une tension de déclenchement (-40 V environ) est appliquée à la ligne 20, ce qui fait passer l'injecteur 12 en mode d'injection de trous et toute charge emmagasinée sur la grille flottante 19 est évacuée. Si aucune charge n'était emmagasinée sur la grille flottante, le champ électrique créé aux bornes de la jonction de 11 injecteur 12 par la tension de déclenchement, empêche l'injection d'électrons. Pour la lecture de l'information emmagasinée dans la cellule, la ligne d'adressage est placée å une tension négative qui rend conducteur le transistror 15. Une tension inférieure au niveau de claquage de l'injecteur est appliquée à laligne 17 d'inscription et de détection. Si un courant apparaît sur la ligne 17, un "1" est détecté. Si aucun courant n'apparaît sur la ligne 17, il y a détection d'un ##O". La mémoire représentée à la Fig.ll comporte une matrice de cellules telles que celle de la Fig. 9. Dans le mode de réalisation représenté, cette mémoire comporte huit cellules 21 à 28 formant une matrice X Y. Les cellules 21, 23, 25 et 27, sont connectées par l'intermédiaire des grilles de leurs transistors d'adressage 29 respectifs, à une ligne d'adressage commune 30 connectée à un circuit de décodage Y1 31. De la même façon, les cellules 22, 24, 26, et 28 sont connectées par l'intermédiaire des grilles de leurs transistors d'adressage 32 respectifs, à une ligne d'adressage commune 32' connectée à un circuit de décodage Y2 33. Les sources des transistors 29 et 32 des cellules 21 et 22 sont connectées par une ligne commune 34 d'écriture et de détection au trajet source-drain d'un transistor à effet de champ 35 dont la grille est connectée par une ligne 36 à la sortie X1 d'un circuit 37 de décodage X. Les sources des transistors 29 et 32 des cellules 23 et 24 sont connectées par une ligne commune 38 au trajet sourcedrain d'un transistor à effet de champ 39 dont la grille est également connectée par la ligne 36, au circuit 37. D'une façon analogue les cellules 25, 26 et 27, 28 sont respectivment connectées à la sortie X2 du circuit 37 de décodage X, par l'intermédiaire des lignes 41 et 42 d'écriture et de détection respectivement connectées à la ligne 40, par l'intermédiaire de transistors à effets de champ 43 et 44. La mémoire comporte en outre des lignes 45 a 48 de sélec tion d'écriture de "1" ou de ll0fl connectées chacune aux entrées correspondantes de deux cellules 21, 22; 23, 24; 25, 26; 27, 28. Une ligne commune d'écriture 49 est connectée à la ligne 45, par l'intermédiaire d'une porte NON-ET 50 et d'ur. inverseur 51. De même la ligne 49 est respectivement connectée aux lignes de sélection d'écriture 46 à 48, par l'intermédiaire de portes NON-ET et d'inverseurs 52, 53; 54, 55 et 56, 57. Quant aux lignes d'écriture et de détection 34 et 41 elles sont connectées au circuit 58 de commande d'écriture et de détection,tandis que les lignes 38 et 42 sont connectées au circuit 59 remplissant la même fonction que le circuit 58. Le fonctionnement de la-mémoire de la Fig. 11 peut être facilement déduit de celui de la cellule de mémoire représentée à la Fig. 9 et ne sera donc pas décrit en détail. On remarquera cependant que pour un accès en parallèle à plusieurs cellules de mémoire (organisation de la mémoire en mots à n bits) les opérations d'écriture des "O" et des n 1 1l sont simultanées, de sorte que les opérations en série, c'est à dire un effacement général suivi par une écriture sélective, telles qu'elles sont exécutées dans les mémoires double injecteur antérieures ne sont plus nécessaires. La cellule de mémoire suivant l'invention permet de réaliser des mémoires à double injecteur , à grille flottante en technique MOS, présentant une capacité satisfaisante sur une plaquette de dimensions acceptables. RLVENDICATIONS 1 - Cellule de mémoire à injecteur et à grille flottante, caractérisée on ce qu'elle comporte une seule jonction (4) formant injecteur de charges destinée à injecter soit des électrons soit des trous dans ladite grille flottante (9) lors de l'application à ladite jonction, d'une polarisation inverse, au moins égale au seuil d'avalanche de ladite jonction (4), et des moyens (21) pour commander le fonctionnement de ladite jonction, en mode d'injection d'électrons, ou en mode d'injection de trous. 2 - Cellule suivant la revendication I,caractérisée en ce quelle comprend une borne d'adressage (16), une borne d'écriture et de détection (17) et une borne de sélection dtécri- ture d'un un ou d'un zeo, ladite borne d'adressage étant connectee audit injecteur '112) par l'intermédiaire d'un premier transistor d'adressage(l5)à effet de champ à grille isolée la borne d'écriture et de évection étant connectée audit injecteur (B2) par l'intermédiaire du trajet source-drain du premier transistor (15) tandis que la borne de sélection d'écriture d'un un ou d'un zéro est reliée à la grille flottante (19) par 1 'in- temédiaire desdits moyens (21, de commande de fonctionnement. 3 - Cellule suivant lSune quelconque des revendications X et 2, caractérisée en ce que lesdits moyens de commande du fonctionnement de l'injecteur en mode d'injection de trous ou on mode d'injection d'electrons, sont constitués par un condensateur (21). 4 Cellule suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un second transistor à effet de champ, à grille isolée (18) de détection de laetat de ladite grille flottante (19). 5 > Cellule suivant l'une quelconque des revendications 1 à a caractérisée on ce que ledit injecteur de charges comprend dans un substrat semiconducteur (i) d'un premier type de conduc tivité, une première région (2) du même type de conductivité, dopée par implantation ionique, une seconde région (3) d'un autre type de conductivité, dopée par implantation ionique,les- dites première et seconde régions (2, 3) définissant entre elles une jonction (4) d'injection de charges, ladite grille flottante (9) étant disposée au-dessus desdites première et seconde régions (2, 3) et séparée de celles-ci par une mince couche d'arrêt (8). 6 - Cellule suivant la revendication 5, caractérisée en ce que ledit substrat (1) est réalisé en silicium de type N tandis que les dites première et seconde régions sont respectivement de type p et N 7 - Cellule suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que lesdites première et seconde régions (2,3) sont respectivement connectées à des conducteurs de bornes (10, 11) traversant une couche (7) de matériaux isolants par l'intermédiaire de régions (5,6) de types de conductivité correspondants. 8 - Cellule suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que ladite couche d'arrêt (8) est en bioxyde de silicium. 9 - Cellule suivant l'une quelconque des revendications 5 a 8, caractérisée en ce que lesdites première et seconde régions (2,3) définissant ladite jonction (4) présentent des concentrations ioniques égales. 10 - Mémoire permanente, caractérisée en ce qu'elle comprend une matrice de cellules