Brevet FR2487582A1 — publié le 19820129

La présente invention concerne les dispositifs semi- conducteurs du type MOS (métal-oxyde-semiconducteur) formés sur un substrat isolant. On connalt dans la technique comment former un circuit intégré contenant des transistors MOS sur une couche épitaxiale de silicium formée sur un substrat isolant constitué d'un matériau à structure de spinelle ou de saphir. Le circuit intégré est généralemnt désigné par le sigle SOS (silicium sur saphir). Le circuit intégré SOS ainsi formé a de nombreux avantages: les transistors peuvent être isolés par un matériau isolant; et un circuit de transistors MOS complémentaires peut être formé sans création d'une structure de puits. Cette dernière particularité produit une petite capacité parasite d'interconnexion et, par conséquent, un petit produit puissance-retard (produit t-p). De plus, le circuit intégré SOS ne présente pas d'effet de verrouillage, lequel provient du transistor bijonction parasite et amène un fonctionnement erroné ou un claquage du dispositif semiconducteur. Ces avantages sont très utiles dans la fabrication de circuits intégrés MOS à haute densité. Dans ce domaine, on connalt bien des circuits intégrés SOS contenant des transistors MOS du type dont la structure est présentée sur les figures 1 et 2, à titre d'exemple. Le schéma de la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1. Comme cela est représenté, une Ile d'une couche semiconductrice 14 est ménagéesur un substrat isolant 10 de saphir, lequel est recouvert par une pellicule isolante 12. L'Tle 14 comprend une région de source 18 de type p, une région de drain 20 de type p, et une région de substrat 16 de type n- prise entre les régions de source et de drain 16 et 18. La région de source 18 et la région de drain 20 sont en contact avec le substrat isolant 10 de saphir. Une électrode de grille 24 faite de silicium polycristallin est formée au-dessus d'une région de canal entre la région de source 18 et la région de drain 20, une pellicule 22 isolante de grille étant disposée entre elles. Dans le circuit intégré SOS de la technique antérieure, la région de substrat 16 formée sous la région constituant le canal du transistor MOS est séparée des régions de source et de drain 18 et 20 par des jonctions pn. De plus, elle est séparée du substrat isolant 10, de la pellicule isolante 12 et de la pellicule 22 iso- lante de grille. Ainsi, la région de substrat 16 du transistor MOS du circuit intégré SOS est dans un état flottant. Pour cette raison, il est impossible de fournir de l'extérieur un potentiel à la région de substrat 16. Ainsi, le circuit intégré SOS présente les inconvé- nients suivants: a) Un tortillement apparaît dans la caractéristique iD VD qui est la relation entre le courant de drain iD et la tension de drain VD pour une valeur paramétrique de la tension de grille. b) Lorsqu'un phénomène de pompage de charges a lieu dans la région de substrat 16 dans l'état flottant, une tension de polarisation inverse, relativement au poten- tiel de la source, est appliquée à la région de substrat 16. Ainsi, une tension de seuil efficace VTH du transistor MOS passe du côté mode d'enrichissement (c'est-à-dire/V T/augmente). c) Lorsqu'une tension de polarisation en sens direct, relativement au potentiel de la source, est appliquée à la région de substrat 16 dans l'état flottant, la tension de seuil efficace du transistor passe du côté mode d'appauvrissement (c'est-à-dire /VTH/diminue). Parmi ces inconvénients, en particulier le phénomène de pompage de charges du point b)amène la caractéristique électrique du transistor MOS sur le substrat isolant 10 à dépendre de la fréquence d'un signal d'excitation. Le phénomène de pompage de charge réduit en outre de façon remarquable la conductance du transistor MOS formé sur le substrat isolant 10. En particulier, lorsque les états d'exci- tation antérieurs des transistors MOS ont été différents les uns des autres alors même que les transistors MOS ont des dimensions iden- tiques, ce phénomène entraîne une différence entre les conductances des deux transistors. Ainsi, si ce phénomène se produit dans un cir- cuit amplificateur de détection ayant des transistors MOS de charge de type équilibre, un fonctionnement erroné peut avoir lieu. S'il se produit dans un transistor MOS d'une porte de transfert, un retard peut avoir lieu. Il a été proposé un circuit intégré SOS tel que présenté sur la figure 3 qui fournit un potentiel à la région de substrat 16 de manière à ne pas placer cette région dans l'état flottant. Comme cela est représenté, une partie terminale 26 de la région de substrat 16 de type n, considérée dans la direction de la largeur du canal, et une partie terminale 28 d'une électrode de grille 24, considérée suivant la largeur du canal, sont prolongées dans la direction de la longueur du canal. Une région d'impuretés 30 du type n+ ayant le même type de conductivité que la région de substrat 16 est couplée à la partie terminale 26 de la région de substrat 16. Un potentiel est appliqué à la région de substrat 16, via une électrode 32 connectée à la région d'impuretés 30 de type n. La partie terminale 26 de la région de substrat 16 s'élargit dans la direction longitudinale du canal pour compenser le déplacement du joint entre la région d'impuretés 30 de type n et la région de substrat 16. Toutefois, dans le cas d'un circuit intégré SOS ayant une telle structure, il est difficile de fournir efficacement un potentiel à la région de substrat 16 du transistor MOS avec une grande largeur de canal W. Plus spécialement, le potentiel est effectivement appliqué de la région d'impuretés 30 de type n à une extrémité de la région de substrat 16 voisine de la région d'impuretés 30 de type n+ (une partie de la région de substrat d'o le potentiel est pré- levé). Toutefois, l'application de potentiel à l'autre extrémité de la région de substrat 16 n'est pas effective, puisque l'autre extré- mité de la région de substrat 16 est séparée de la région d'impure- tés 30 par une largeur de canal W, la résistivité ?de la région de substrat 16 étant relativement grande et une importante capacité de grille étant généralement présente entre la région de substrat 16 et l'électrode de grille 24. Ainsi, il est très difficile de main- tenir le potentiel de toute la région de substrat 16 à la même valeur que celle de la région d'impuretés 30. La résistance R de la région de substrat 16 est donnée par la formule (1) suivante R Z:W. T. (L- S L) 1 o ? est la résistivité de la région du substrat 16, W est la largeur de canal, L est la longueur de canal, IL est un décrément de la longueur de canal qui est dû à des couches d'appauvrissement au niveau de la jonction entre la région de substrat 16 et la région de source 18, et une jonction entre la région de substrat 16 et la région de drain 20, et T est l'épaisseur de la région de substrat 16. La capacité statique (capacité de grille) existant entre la région de substrat 16 et l'électrode de grille est donnée par la formule (2) suivante: C netox. W.(L- AL) /to (2) cx ox (2) o tOx est l'épaisseur de la pellicule d'oxyde de silicium et E est la constante diélectrique de la pellicule d'oxyde de sili- cium. A partir des formules (1) et (2) ci-dessus, on obtient pour la constante de temps RC une relation (3): RC n2tox *ptoxT (3) Par exemple, È= 0,5 A.cm, tox = 600 A, T = 0,5pm. Dans ce ces, RC. 7d2W s. Lorsque la largeur de canal W vaut 10 ym RC 2i 0,7 ns. Lorsque la largeur de canal W vaut 50pmRC2- 17,5 ns. q Ainsi, lorsque le transistor MOS a une grande largeur de canal W., même si un potentiel est appliqué à la région de - - substrat 16 à partir de l'extrémité du transistor, on obtient à l'autre extrémité du transistor, comme le montre la figure 3, un potentiel retardé d'une constante de temps RC plutôt grande. Ainsi, il n'est pas possible de commander efficacement le potentiel de la région de substrat 16. La revue "IEEE Transactions on Electron Devices", volume ED-25, no 8, Août 1978, p. 910, décrit un moyen permettant de fournir un potentiel à la région de substrat. Avec le moyen décrit, lorsque la longueur de canal L est courte, par exemple Lr 2 s=, il est nécessaire d'imposer une précision de masquage de L/2 ou moins pour former la région d'impuretés de type n. Si tel n'est pas le cas, la région d'impuretés n se superpose à la région de drain et la capacité de la jonction de drain, entre la région de drain et d'électrode, augmente, ou bien la région de substrat ne peut pas être connectée à la région d'impuretés n. Pour limiter la précision de masquage à L/2 ou moins, il faut former le masque avec une préci- sion extrêmement élevée, si bien qu'un dispositif d'alignement de masque coûteux est nécessaire. Par conséquent, un but de l'invention est de pro- poser un dispositif semiconducteur du type MOS dans lequel est ef- ficacement assurée l'alimentation en potentiel de la région de substrat du transistor MOS sur un substrat isolant. Pour réaliser le but énoncé ci-dessus de l'inven- tion, il est proposé un dispositif semiconducteur du type MOS ayant la structure suivante. Un potentiel est appliqué à une région de substrat d'un premier type de conductivité doté d'une partie allongée se prolongeant dans la direction de la longueur du canal, à travers une région du premier type de conductivité afin de prélever le poten- tiel de substrat qui est associé à la partie allongée. Une électrode de grille ayant une partie de grille allongée est formée au-dessus de la région de substrat de façon qu'une pellicule isolante de grille soit interposée entre elles pour ainsi recouvrir la région de substrat. Avec une telle structure, des transistors MOS de n'importe quelle taille peuvent facilement être formés sur un substrat isolant sans qu'il soit nécessaire de faire appel à une haute précision de masquage et à un dispositif coûteux d'alignement de masque. La description suivante, conçue à titre d'illustra- tion de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue en plan d'un circuit intégré SOS contenant des transistors MOS classiques; - la figure 2 est une vue en coupe du circuit intégré SOS, prise suivant la ligne II-II de la figure 1; - la figure 3 est une vue en plan d'un autre circuit intégré SOS contenant des transistors MOS classiques; - la figure 4 est une vue en plan d'un mode de réalisation d'un circuit intégré SOS selon l'invention; - la figure 5 est une vue en coupe du circuit intégré SOS, prise suivant la ligne V-V de la figure 4; - la figure 6 est une vue en coupe du circuit intégré SOS, prise suivant la ligne VI-VI de la figure 4; - la figure 7 est une vue en plan d'un autre mode de réalisation d'un circuit intégré SOS selon l'invention; et - la figure 8 est une vue en plan d'un circuit intégré SOS qui est une variante selon l'invention; En relation avec les figures 4 à 6, est présenté un mode de réalisation d'un dispositif semiconducteur du type MOS selon l'invention. Comme cela est représenté, une île d'une couche semiconductrice 14 est formée sur un substrat isolant 110 fait de saphir, l'Ile étant électriquement isolée par une pellicule iso- lante 112 qui l'entoure. L'île 114 comprend une région de substrat 116 de type n ayant une partie de substrat allongée 134 qui s'étend dans la direction de la longueur du canal, une région de source 118 de type p et une région de drain 120 qui sont formées de manière à entourer une région de substrat 116, et une région 130 de type n destinée à prélever un potentiel de substrat (cette région étant désignée ci-après par l'expression "région de prélèvement de poten- tiel de substrat") en contact avec la partie de substrat allongée 134 de la région de substrat 116. La région de source 118, la région de drain 120, et la région 130 de prélèvement de potentiel de substrat sont toutm en contact avec le substrat isolant 110 de saphir. Une électrode 132 est connectée à la région 130 de prélèvement de poten- tiel de substrat. Un potentiel est appliqué à la région de -c substrat 117 via un cheminement passant par l'électrode 132 et la région 130 de prélèvement de potentiel de substrat. Sur la région de substrat 116, une électrode de grille 124 faite en silicium polycristallin est formée au travers d'une pellicule 122 isolante de grille faite de SiO2, de manière à couvrir la région de substrat 116. L'électrode de grille 124 possède une partie de grille prolongée 136 correspondant à la partie de substrat allongée 134 de la région de substrat 116. La partie de substrat prolongée 134 et la partie de grille prolongée 136 s'éten- dent toutes deux en direction de la région de source 118. La région de source de type p est divisée en deux régions par la partie de substrat prolongée 134 de type n et la région 130 de prélèvement de potentiel de substrat de type n. Le circuit intégré SOS a une structure telle que la partie de grille prolongée 136 de l'électrode de grille 124 se trouve au-dessus de la partie de substrat prolongée 134 de type n_. Du fait de cette structure, une couche d'appauvrissement est dure à propager dans la partie de substrat prolongée 134. Par conséquent, le potentiel peut efficacement être appliqué à la région de substrat 117 sous la région formant le canal, à travers la partie de substrat prolongée 134 qui est couplée à la région 130 de prélèvement de potentiel de substrat de type n. Ainsi, avec ce dispositif semiconducteur du type MOS, le potentiel de la région du substrat 117 sous la région formant le canal de type n peut être efficacement commandé avec une petite constante de temps, par comparaison au circuit intégré SOS classique présenté sur la figure 3. Par exemple, un circuit intégré SOS selon l'invention ayant les mêmes longueur et largeur de canal que le circuit intégré SOS classique présenté sur la figure 3 a une constante de temps valant le quart de celle du circuit intégré SOS classique. Naturellement, il n'apparatt jamais de phénomène de tor- tillement de la caractéristique ID - VD ou le passage de la tension de seuil efficace au mode d'enrichissement. La partie de substrat prolongée 134 peut être formée solidairement avec la région de substrat 117 sous la région formant le canal. La connexion de la partie de substrat prolongée 134 avec la région 130 de prélèvement de potentiel de substrat peut être aisément réalisée par un choix convenable de la longueur de prolon- gement de la partie de substrat prolongée 134. Selon l'invention, mème dans un transistor de type MOS dont la dimension de la région de substrat 116, considérée suivant la longueur du canal, est courte, la région 130 de prélèvement de potentiel de substrat permettant d'appliquer efficacement le potentiel à la région de substrat 117 se trouvant sous la région de formation de canal peut être aisément formée sans aucune technique spéciale. La figure 7 présente un autre mode de réalisation d'un dispositif semiconducteur du type MOS selon l'invention. La région de substrat 116 de type n formée sur le substrat isolant possède trois parties de substrat prolongées 134a, 134b et 134c. Sur la région de substrat 116, l'électrode de grille 124 est formée à travers la pellicule isolante de grille, de manière à couvrir la région de substrat 116. Comme cela est présenté, la partie de grille prolongée 136a est disposée au-dessus de la partie de substrat pro- longée 134a; la partie de grille prolongée 136b est au-dessus de la partie de substrat prolongée 134b; la partie de grille prolongée 136c est au-dessus de la partie de substrat prolongée 134c. Les parties terminales des parties de substrat prolongées 134a, 134b et 134c sont connectées à la région 130 de prélèvement de potentiel de substrat de t y p e n en forme de bande qui est disposée au voisinage des régions de source 118a, 118b, 118c et 118d, séparées les unes des autres. Quatre électrodes 132a, 132b> 132c et 132d s'étendent res- pectivement au-dessus des régions de source 118a, 118b, 118c et 118d et de la région 130 de prélèvement de potentiel de substrat afin de rendre le potentiel de la région de substrat 117 se trouvant sous la région de formation de canal égal au potentiel des régions de source 118a à 118d. Ces électrodes 132a, 132b, 132c et 132d sont connectées l'une à l'autre par une interconnexion 138 en aluminium. Avec une telle structure, la région de substrat 117 se trouvant sous la région de formation de canal du transistor MOS peut être connectée à la région 130 de prélèvement de potentiel de substrat du transistor MOS, à travers les parties de substrat pro- longées 134a, 134b et 134c de type n sous les parties de grille prolongées 136a à 136c des électrodes de grille 124. De plus, la région 130 de prélèvement de potentiel de substrat peut être con- nectée aux régions de source 118a à 118d, via les électrodes 132a à 132d et l'interconnexion 138 en aluminium. Ainsi, les régions de source 118a à 118d peuvent être connectées à la région de substrat 117 sous la région formant le canal, avec pour résultat que le potentiel de la région de substrat 117 de type n sous la région de formation de canal peut être commandé au prix d'une petite constante de temps, par comparaison avec le circuit intégré SOS classique. La figure 8 présente une variante d'un dispositif semiconducteur de type MOS selon l'invention. La région de substrat 116 de type n formée sur le substrat isolant fait de saphir comprend une partie circulaire 117 sous la région formant le canal et une partie de substrat prolongée 134. Sur la région de substrat 116, est formée une électrode de grille 124 qui couvre la région de substrat 116 à travers une pellicule de SiO2. L'électrode de grille 124 faite en silicium polycristallin a une partie de grille prolongée 136 correspondant à la partie de substrat prolongée 134. Une région de drain circulaire 120 de type p est prévue à l'inté- rieur de la région de substrat 116. Une région de source 118 de type p+ est prévue à l'extérieur de la région de substrat 116. Connectée à la partie de substrat prolongée 134, la région 130 de prélèvement de potentiel de substrat de type n reçoit le potentiel d'une électrode 132. Avec cette structure, le potentiel peut être efficacement appliqué à la région du substrat 117 sous la région formant le canal. La région de source 118, la région de drain 120 et l'électrode de grille 124 sont respectivement connectées à des électrodes 140a à 140c. On peut modifier le dispositif semiconducteur de type MOS selon l'invention de manière que les parties de substrat et de grille prolongées puissent s'étendre en direction de la région de drain sans les limitations relatives aux modes de réalisation mentionnés ci-dessus, les parties s'étendant jusqu'à la région de source. Dans le dispositif semiconducteur modifié, le potentiel à appliquer à la partie prolongée de la région de substrat est limité dans l'intervalle o le potentiel de la région de substrat n'est pas égal à celui de la région de drain. Le dispositif semiconducteur de type MOS selon l'invention est applicable au transistor MOS à canal n sans la li- mitation relative à son application telle que décrite ci-dessus dans les modes de réalisation mentionnés comprenant un transistor MOS à canal p. Dans le cas du transistor MOS à canal n, la région de substrat est du type p et la région de prélèvement de potentiel + de substrat est du type p. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'ima- giner, à partir des dispositifs dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, di- verses autres variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif semiconducteur de type MOS caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat isolant (110); une région de substrat (116) d'un premier type de conductivité ayant une partie de substrat prolongée (134) s'étendant dans la direction de la longueur du canal, qui est formée sur ledit substrat isolant (110); une région de source (118) d'un type de conductivité opposé qui est formée sur ledit substrat isolant, en contact avec une surface latérale de ladite région de substrat (116); une région de drain (120) du type de conductivité opposé qui est formée sur ledit substrat isolant (110), en contact avec l'autre surface latérale de ladite région de substrat (116), les deux régions de source et de drain (118 et 120) étant formées séparément de manière à prendre entre elles ladite région de substrat (117) sous la région formant le canal; une pellicule isolante de grille (122) formée sur ladite région de substrat (116), la région de source (118) et la région de drain (120); une électrode de grille (124) formée sur ladite pellicule isolante de grille (122) de manière à couvrir ladite région de substrat (116), l'électrode de grille (124) ayant une partie de grille prolongée (136) correspondant à ladite partie de substrat prolongée (134) de la région de substrat (116) ; et une région (130) de prélèvement de potentiel de substrat du premier type de conductivité qui est formée sur ledit substrat isolant (110) et est connectée à ladite partie de substrat prolongée (134) de la région de substrat (116), un potentiel étant appliqué à la région de substrat (117) sous la région formant le canal à travers la région (130) de prélèvement de potentiel de substrat. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région de substrat (116) possède plusieurs parties de substrat prolongées (134a, 134b et 134c) s'étendant dans la direction de la longueur du canal, et ladite électrode de grille (124) possède plusieurs parties de grille prolongées (136a, 136b et 136c) corres- pondant auxdites parties de substrat prolongées (134a, 134b et 134c) de la région du substrat (116). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la région (130) de prélèvement de potentiel de substrat est connectée en commun avec les parties de substrat prolongées (134a, 134b et 134c de manière à fournir un potentiel à ladite région de substrat (117) sous la région formant le canal. 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caracté- risé en ce que la partie de substrat allongée (134; 134a à 134c) s'étend en direction de ladite région de source (118; 118a à 118d). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une électrode (132a à 132d) est formée de manière à s'étendre au-dessus de la région (130) de prélèvement de potentiel de substrat et de la région de source (118a à 118d). 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite région de substrat (116) est réalisée suivant une forme fermée, à l'intérieur de laquelle ladite région de source (118) ou ladite région de drain (120) est présente, et comporte ladite partie de substrat prolongée (134) comme une de ses parties. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite région de substrat (117) sous la région formant le canal est de forme circulaire. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que ladite partie de substrat prolongée (134) s'étend en direc- tion de la région de source (118). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un trou de contact (132) est formé de manière à s'étendre au- dessus de ladite région (130) de prélèvement de potentiel de substrat et de ladite région de source (118).