Brevet FR2523354A1 — publié le 19830916

La présente invention se rapporte, en général, à des dispositifs formant mémoire à semi-conducteurs et plus particulièrement, à des dispositifs formant mémoire à porte flottante non volatile et électriquement modifiable. Les systèmes à base de microprocesseurs, ainsi que les techniques s'y rapportant, nécessitent depuis longtemps des éléments formant mémoiresmortesélectriquement modifiables (EAROM) non volatileset un grand nombre de ces dispositifs ont à un certain point rempli cette nécessité Cependant, tandis que la technique des calculateurs est devenue de nature plus complexe en nécessitant des vitesses supérieures et une plus grande capacité, il existe maintenant la nécessité d'un dispositif formant mémoire de haute densité pouvant facilement être programmé ou "écrit" et, selon l'occasion, reprogrammé ("effacé" et "réécrit") sur place. A cette fin, les ingénieurs de conception disposent actuel- lement de dispositifs qui présentent des caractéristiques non volatiles mais, comme on le décrira, ils présentent des inconvénients inhérents qui sont surmontés par la présente invention. Un tel dispositif se trouve dans la famille des dispositifs à Porte Flottante Avalanche Metal Oxyde Semi- conducteur (FAMOS) L'avantage de ce type de dispositif réside dans le fait qu'il est indépendant de tout courant extérieur pour maintenir l'information stockée dans le cas o le courant est perdu ou interrompu Comme ce dispositif est indépendant de toute puissance extérieure, il n'est pas non plus nécessaire de régénérer le dispositif, cette caractéristique ayant pour résultat une économie importante d'énergie. La famille des dispositifs à porte flottante a usuellement des régions de source et de drain d'un type de conductivité donné, qui sont formées dans un substrat du type opposé de conductivité, à sa surface Entre les régions de source et de drain et à la surface du substrat, est formée une structure de porte en appliquant d'abord une couche isolante mince avec ensuite une couche conductrice (la porte flottante) et ensuite une seconde couche isolante afin d'entourer totalement la porte flottante et de l'isoler du restant du dispositif Une seconde couche conductrice (usuellement appelée porte de commande) est formée sur la seconde couche isolante (dans la région de la porte flottante) pour compléter la structure de la porte Un tel dispositif est donné à titre d'exemple dans le brevet US NO 3 500 142 au nom de D Kahng du 10 Mars 1970 et représente l'une des premières tentatives pour obtenir la non volatilité. L'inconvénient majeur des dispositifs selon l'art antérieur réside dans le fait qu'il faut des champs élevés pour produire la rupture avalanche nécessaire afin que la charge soit placée sur la porte flottante Par ailleurs, pour effacer la charge placée sur la porte flottante, certains des dispositifs selon l'art antérieur sont pourvus d'une fenêtre transparente de façon qu'ils puissent être inondés d'énergie dans la partie des rayons ultraviolets ou des rayons X du spectre Ainsi, il est extrêmement difficile d'effacer un seul "mot" sans effacer toute la charge au dispositif, nécessitant ainsi que tout le dispositif soit totalement reprogrammé Par ailleurs, l'étape d'effacement nécessite un temps extrêmement long d'exposition, de l'ordre de 30 à 45 minutes, avec le dispositif ou la pastille retiré de l'équipement. Ces dernières années, la technique a progressé au point o des dispositifs formant mémoire morte à porte flottante et non volatile ont été produits qui sont électriquement modifiables Une telle cellule de mémoire a été décrite en détail dans un article intitulé " 16-K EE-PROM Relies on Tunneling for Byte-Erasable Program Storage", par W S Johnson et autres, ELECTRONICS, 28 Février 1980, pages 113-117 Dans cet article, les auteurs décrivent une structure "Oxyde Tunnel Porte Flottante" o une cellule utilisant une structure de porte flottante en silicium polycristallin (polysilicium) a son organe formant porte chargé d'électrons (ou trous) à travers une couche mince d'oxyde placée entre la porte flottante et le substrat au moyen du mécanisme de formation de tunnel de Fowler-Nordheim Une vue en élévation d'un dispositif typique est décrite et représentée sur la figure 1 de l'article En utilisant ce type de structure, on produit une capacité porte flottante-substrat excessive- ment élevée Cependant, les opérations acceptables à basse tension "écriture" et "effacement" peuvent être obtenues uniquement lorsque la plus grande partie de la tension appliquée apparaît à travers la région de tunnel ce qui, -à son tour, nécessite que la capacité de la porte flottante à la porte commande soit plus importante que la capacité de la porte flottante au substrat Par ailleurs, pour obtenir la distribution requise de capacité pour produire les caractéristiques souhaitables d'écriture et d'effacement, on a recouru, dans l'art antérieur, à l'extension à la fois des premier et second niveaux de silicium polycristallin sur l'oxyde de champ adjacent pour obtenir une capacité supplémentaire Le résultat net est une cellule beaucoup trop grande. Dans la publication du brevet britannique NO 2 092 378 A du 11 Août 1982, au nom de Xicor Inc. intitulée "Dense Nonvolatile Electrically-Alterable Memory Dèvice with Substrate Coupling Electrode", l'auteur décrit une mémoire non volatile à porte flottante fabriquée avec trois couches de silicium polycristallin Une quatrième couche de silicium polycristallin, noyé dans la surface du substrat, est utilisée pour polariser la porte flottante pendant les opérations d'écriture, d'effacement et de lecture Le mécanisme pour programmer le dispositif repose sur des aspérités formées à'la surface supérieure du premier niveau de silicium polycristallin (l'électrode de programmation) pour injecter la charge dans le second niveau de silicium polycristallin (la porte flottante). Pour effacer la charge, les aspérités à la surface supé- rieure de la porte flottante sont utilisées pour induire la charge à migrer de la porte flottante à un troisième niveau de silicium polycristallin situé au-dessus, qui sert d'électrode de sélection/effacement Les aspérités, qui texturent la surface des couches de silicium poly- cristallin, ont tendance à intensifier localement les champs électriques, abaissant ainsi la hauteur de la barrière effective de silicium polycristallin Cependant, ce résultat est un compromis entre l'efficacité de lecture et l'efficacité d'écriture/effacement Pour modifier simplement la capacité afin d'améliorer l'efficacité de l'opération de lecture ou l'opération d'écriture/effacement, il faut dégrader l'opération de l'autre. En utilisant la structure de la cellule de mémoire à porte flottante non volatile électriquement modifiable et à ligne double selon l'invention, o la capacité ligne de mot-porte flottante est considérablement plus importante que la capacité ligne de programme-porte flottante ou bien la capacité porte flottante-substrat et en contre-attaquant chaque ligne (la ligne de programme et la ligne de mot), le couplage de la porte flottante est diminué pendant un cycle d'écriture ou d'effacement et rendu maximum pendant le cycle de lecture, produisant ainsi une cellule ayant de plus fortes efficacités d'écriture/effacement/lecture que ce qui était jusqu'à maintenant possible. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique du dispositif formant mémoire à porte flottante selon l'art antérieur, illustrant la distribution capacitive par rapport à la porte de commande, la porte flottante et le substrat; la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif formant mémoire à porte flottante selon l'invention, illustrant la distribution capacitive qui y est obtenue; la figure 3 est une vue en plan d'un dispositif formant mémoire à porte flottante fait selon les enseigne- ments de l'invention; la figure 3 A est une vue en coupe transversale du dispositif de la figure 3, faite suivant la ligne A-A de la figure 3; et la figure 3 B est une vue en coupe transversale du dispositif de la figure 3, faite suivant la ligne B-B de la figure 3. La figure 1 montre une représentation schématique d'un dispositif à porte flottante selon l'art antérieur, o les aspérités à la surface supérieure d'une porte flottante en silicium polycristallin sont utilisées pour intensifier les champs électriques afin d'abaisser la hauteur de la barrière effective Ce dispositif selon l'art antérieur est formé dans un substrat 10 d'un premier type de conductivité, le substrat 10 étant pourvu d'une couche 12 d'oxyde de champ à sa surface supérieure, pour définir les zones actives et pour isoler une cellule d'une autre Les zones actives comprennent les régions de source et de drain 14 et 16 respectivement, lesquelles régions sont formées d'un type de conductivité opposé à celui du substrat 10 Ces régions peuvent être formées soit par implantation d'ions ou par diffusion Une région intermé- diaire 18 est ainsi prévue entre les régions de source et de drain 14 et 16 et, comme on le sait bien, elle est prévue pour supporter la conduction par une couche d'inversion à la surface du substrat 10 Une couche d'oxyde de porte 20 est prévueen tant qu'isolant de la porte flottante 10, qui est usuellement une couche en silicium polycristallin dopé De même, une couche d'oxyde isolant 24 entre les siliciurspolycristallins est prévue afin d'isoler la couche 26 de silicium polycristallin et la couche 22 de silicium polycristallin Comme on le sait bien, la couche 26 en silicium polycristallin est usuellement appelée porte de commande, tandis que la couche 22 en silicium polycristallin est identifiée comme porte flottante. Comme les couches en silicium polycristallin 22 et 26 sont des couches conductrices qui sont séparées par la couche isolante 24, la capacité qui résulte de la coopération de ces trois éléments peut être déterminée par les surfaces de chevauchement des couches, et l'épais- seur et la qualité de la couche d'oxyde isolant 24 Cela est représenté par C 2 De même, la capacité formée par la coopération de la couche en silicium polycristallin, de la couche d'oxyde 20 et du substrat 10 est indiquée par C 1 Dans les cellules conventionnelles d'injecteur de silicium polycristallin planes, les éléments de couplage capacitif Ci et C 2 sont à peu près égaux Quand un potentiel d'environ 20 volts est appliqué entre la couche 26 de silicium polycristallin et le substrat 10 (pour écrire ou effacer la charge sur le porte flottante 22), la tension de 20 volts se divise également avec à peu près 10 volts apparaissant dans la couche d'oxyde entre siliciums-Dly- cristallins 24 (C 2), o ils contribuent à la formation d'un tunnel, tandis que les 10 volts restants apparaissent à travers la couche d'oxyde de porte 20 (C 1) o ils sont perdus Pendant le cycle de lecture, la situation s'inverse par le fait que, quand un signal de lecture de 5 volts est appliqué, la moitié de la tension se présente dans la couche d'oxyde 24 entre siliciumspolycristallins(C 2). Ainsi, seul le potentiel de 2 volts et demi apparaissant à travers l'oxyde de porte 20 (C 1) sert à commander la région de canal 38 Comme on a C 1 =C 2, l'efficacité peut être exprimée comme suit ci efficacité de lecture= C + C = 50 % ( 1) C efficacité d'effacement/écriture = C + 2 C 50 % ( 2) 1 2 Il est maintenant évident que, si la distribution capacitive est modifiée pour améliorer soit l'efficacité de lecture ou l'efficacité d'effacement/écriture, une telle amélioration dans une-opération dégradera la per- formance dans l'autre. La figure 2 montre, schématiquement, le dispositif formant mémoire à porte flottante selon l'invention o l'on obtient à la fois une plus forte efficacité de lecture et de plus fortes efficacités d'effacement/écriture en utilisant les lignes doubles (mot et programme) qui y sont montrées Dans le présent dispositif, un substrat 32 d'un premier type de conductivité est pourvu de régions de source et de drain 34 et 36 respectivement, avec une région de canal intermédiaire 38 pour supporter la conduction Une couche d'oxyde de champ 33 sert à définir les régions actives et à séparer et à isoler une cellule d'une autre Une couche d'oxyde de porte 40 est prévue à la surface du substrat 32 audessus de la région de canal 38, et elle a une épaisseur d'environ 500 angstrfms et sert à isoler la couche de silicium polycristallin (porte flottante) 42 du substrat 32 La capacité résultante est désignée ici par Ci La couche de silicium polycristallin (ligne de programme) 46 est isolée de la porte flottante 42 par la couche d'oxyde 44 entre siliciums polycristallins qui peut avoir une épaisseur d'environ 200 angstrbms. La capacité résultante est désignée ici par C 2 La couche de silicium polycristallin 46 est isolée de la couche de silicium polycristallin (ligne de mot) 50 par la couche d'oxyde 48 qui peut avoir une épaisseur d'environ 500 ang- strfms, et la capacité entre les couches en silicium polycristallin 42 et 50 est désignée ici par C 3. Comme on le verra aux figures subséquentes, les dimensions des couches en silicium polycristallin 50, 42 et 46 ont été déterminées afin de répondre aux conditions qui suivent: C 3 =x C 2 =y C 1 ( 3) ( 3) et C 2 C 1 ( 4) ( 4) o x> 1, y> 1 Par ailleurs, en accomplissant les fonctions d'écriture ou d'effacement, les couches de silicium polycristallin 46 et 50 sont contreattaquées pour rendre maximum le champ électrique entre la couche de silicium polycristallin 46 et la couche de silicium polycristallin 42 (à travers la couche d'oxyde 44) Pendant l'opération de lecture, les couches de silicium polycristallin 46 et 50 sont attaquées ensemble (la même tension à la même polarité leur est appliquée), afin de rendre maximum le champ électrique à travers la couche d'oxyde de porte 40. Le tableau qui suit montre les potentiels nominaux que l'on peut appliquer à chacun des éléments du présent dispositif afin d'accomplir les fonctions d'effacement, écriture et lecture Sur le tableau, les divers potentiels indiqués dans chacune des colonnes sont appliqués aux éléments indiqués dans la colonne intitulée "ELEMENT". ELEMENT ECRITURE EFFACEMENT LECTURE Source 34/drain 36/et substrat 32 0/O/OV 20/20/20 V 0/2,5/OV Poly Ligne 46 20 V OV 5 V Poly Ligne 50 OV 20 V 5 V Ainsi, dans la cellule représentée sur la figure 2 o, à titre d'exemple, on a x et y qui sont égaux à 3, C 3 = 3 C 2 = 3 C 1 ( 5) ( 5) L'efficacité peut alors être exprimée comme suit C+ 2 C 3 Efficacité d'écriture = = 80 % ( 6) C 1 + C 2 + C 3 L'efficacité d'effacement sera semblable à l'efficacité d'écriture cidessus ( 6), à l'exception que, comme le montre le tableau ci-dessus, les tensions appliquées aux couches en silicium polycristallin 46 et 50 sont in- versées Avec le rapport capacitif montré, l'efficacité d'effacement doit être à peu près égale à l'efficacité d'écriture Ainsi, avec 20 volts appliqués à la cellule de la présente demande, on dispose d'un total d'environ 16 volts pour écrire et effacer la cellule, au lieu de 10 volts seulement dont on disposait dans l'art antérieur. Pendant l'opération de lecture, comme le montre le tableau, 5 volts sont appliqués aux lignes en silicium polycristallin 46 et 50 et 2,5 volts sont appliqués au drain 36 Dans ces circonstances o les lignes en silicium polycristallin 46 et 50 reçoivent 5 volts, les lignes 46 et 50 sont attaquées ensemble afin de rendre maximum le champ apparaissant à travers la couche d'oxyde 40 L'effi- cacité de lecture peut alors être exprimée comme suit C 1 + C efficacité de lecture = 3 _ 80 % ( 7) Ci + C 2 + C 3 Cette plus forte efficacité de lecture a pour résultat net de produire un signal à 4 volts pour décoder la région de canal 38, au lieu des 2,5 volts dont on dispose dans l'art antérieur. En conséquence, en déterminant les diverses capacités, on peut modifier efficacement le rapport de distribution capacitive afin de le rendre plus élevé pour l'opération de lecture et les opérations d'écriture/ effacementque ce qui était possible avec l'antérieur Les opérations de lecture et d'écriture/effacement sont alors plus rapides, plus sûres et plus efficaces De même, quand les couches 46 et 50 de silicium polycristallin sont attaquées ensemble (la même tension de la même polarité leur est appliquée), le potentiel induit à travers la couche d'oxyde 44 formant un tunnel est réduit à seulement 1 volt pendant l'opération de lecture. L'augmentation du rapport de distribution capacitive réduit fortement la probabilité de tout maculage le long de lignes non choisies de mot pendant une opération d'écriture/ effacement et réduit de plus la probabilité de perturber les cellules adjacentes pendant une opération de lecture. Les figures 3, 3 A et 3 B montrent un substrat 32 du type P avec des lignes dopées en parallèle du type N 34 et 36 représentant respectivement les régions de source et de drain Les régions de source et de drain 34 et 36 sont séparées par la région de canal 38 qui est formée pour supporter la conduction par une couche d'inversion, comme on le sait bien La région active, comprenant les régions de source et de drain 34 et 36 respectivement et la région de canal 38 est définie par une couche d'oxyde de champ 33 qui est formée à la surface supérieure du substrat 32 Tandis que la région active est illustrée comme ayant été formée dans un substrat du type P ceux qui sont compétents en la matière reconnaîtront facilement que la région du type P désignée en 32 peut également être un puits du type P formé dans un substrat du type N. Une couche d'oxyde de porte 40 d'une épaisseur d'environ 500 angstr Cms est formée sur la région active et la couche d'oxyde de champ 33 Une couche en silicium polycristallin dopé est alors formée sur la couche d'oxyde 40, masquée et définie pour formée une porte flottante 42 en forme de "verre de montre" o la partie étroite du "verre de montre" est alignée avec la région de canal 38, afin de déterminer la capacité porte flottante-substrat. La capacité formée entre la porte flottante 42 et le substrat 32 est équivalente à C 1 sur la figure 2 Tandis que l'on a choisi de déterminer la porte flottante 42 pour qu'elle ait une configuration en verre de montre, l'on n'est pas limité à cela Toute autre forme suffira à condition que les critères des équations ( 3)et ( 4) soient remplis. Une seconde couche d'oxyde 44 ayant une épaisseur d'environ 200 angstrfms est alors formée sur la porte flottante l,2 ainsi que sur la couche d'oxyde de porte 40 et la couche d'oxyde de champ 33 Ensuite, une autre couche en silicium polycristallin dopé est déposée, masquée et définie pour former la ligne de programme 46 qui est dans une direction généralement perpendiculaire à la porte flottante 42 La combinaison du chevauchement de la ligne de programme 46 sur la porte flottante 42 avec la couche d'oxyde 44 constitue la capacité C 2 La ligne de programme 46 est alors pourvue d'une couche d'oxyde 48 qui est déposée sur toute la structure sur une épaisseur d'environ 500 angstrdms, avec ensuite dépôt d'une couche dopée qui est masquée et définie pour former la ligne de mot 50 La ligne de mot 50 a ses bords extérieurs qui sont alignés avec les extrémités de la porte flottante 42 afin de rendre maximum la capacité ligne de mot-porte flottante La capacité résultante est désignée ici par C 3. Bien que cela n'ait pas été représenté, ceux qui sont compétents en la matière reconna tront que la ligne de source 34, la ligne de drain 36, la ligne en silicium polycristallin (programme) 46 et la ligne en silicium polycristallin (mot) 50 se terminent toutes par des plots isolés (non représentés)aux bords du substrat 32 afin de produire les signaux appropriés pour écrire, effacer et lire la cellule Par ailleurs, une couche protectrice de passivation peut être appliquée sur la couche en silicium polycristallin 50 afin de la protéger de l'atmosphère. De plus, tandis que l'on a illustré et décrit le présent dispositif comme étant formé dans du silicium en masse, ceux qui sont compétents en la matière reconnaï- tront facilement que la cellule décrite peut être fabriquée sur un substrat isolant comme du saphir, du spinelle ou de l'oxyde de beryllium monocristallin. Tandis que le fonctionnement d'un seul dispositif a été décrit, il sera évident à ceux qui sont compétents en la matière qu'un certain nombre de ces dispositifs peuvent être assemblés en rangées et colonnes pour former une série Une telle série peut être agencée dans un seul puits Les lignes communes de source et de drain ( 34 et 36) a 3 rortpartagées par tous les dispositifs d'une colonne, tandis que les colonnes restantes du puits auront leurs sources et drains respectifs partagés de façon semblable. La ligne de programme 46 et la ligne de mot 50 seront communes à chaque dispositif dans des rangées correspon- dantes de chaque colonne Ainsi, pour former une série à 1024 bits, on formera 32 colonnes de sources et drains partagés avec 32 dispositifs dans chaque rangée connectée aux lignes de programme et de mot Cependant, chaque dispositif aura son propre organe formant porte flottante 42 En conséquence, en polarisant de façon appropriée les lignes de source et de drain 34 et 36 ainsi que le substrat 32, comme le montre le tableau, on peut facilement "écrire", "effacer" ou "lire" l'un des 1024 dispositifs présents. Tandis que la présente invention a été décrite en termes de couches multiples de silicium polycristallin, l'on ne souhaite pas être limité ainsi Il sera évident à ceux qui sont compétents en la matière que diverses autres couches conductrices formées en métaux réfractaires, siliciures de métaux réfractaires et autres ou toute combinaison, peuvent être utilisées à la place des couches en silicium polycristallin 46 et 50. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Dispositif formant mémoire à portefkttartenon volatile comprenant un substrat en matériau semi-conducteur d'un premier type de conductivité ayant une paire de régions d'un second type de conductivité qui y sont formées et qui sont espacées l'une de l'autre pour définir une région de canal, une porte flottante conductrice isolée du substrat et ayant une partie disposée sur la région de canal, une première couche conductrice ayant une partie disposée-sur la porte flottante et qui en est isolée et - une seconde couche conductrice disposée au-dessus de la première couche conductrice et qui en est isolée, caractérisé en ce que: les valeurs capacitives entre la porte flottante ( 42), les première ( 46) et seconde ( 50) couches conductrices et le substrat ( 32) ont pour relation C 2 métaux réfractaires et si U ciures de métaux réfractaires. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que: les régions de source ( 34) et de drain ( 36) sont des lignes parallèles avec la région de canal ( 38) setr=vrit entre des parties des lignes parallèles dopées; une partie de la porte flottante ( 42) est alignée avec la région de canal et est orientée dans une direction parallèle aux lignes de source et de drain; les première et seconde couches conductrices ( 46, 50) sont des lignes en silicium polycristallin qui sont disposées parallèlement l'une à l'autre sur la région de canal et qui sont disposées perpendiculairement par rapport à l'orientation de la porte flottanteet les extrémités de la porte flottante sont alignées avec les bords longitudinaux de la seconde ligne en silicium polycristallin. 4 Dispositif formant mémoire à porte flottante selon la revendication 3, caractérisé en ce que: la porte flottante est isolée de la région de canal par une couche en oxyde de silicium ( 40) ayant une épaisseur d'environ 500 angstrfms; la première couche en silicium polycristallin est une ligne de programme qui est isolée de la porte flottante par une couche ( 44) en oxyde de silicium ayant une épaisseur d'environ 200 angstrd 5 ms; et la seconde couche en silicium polycristallin est une ligne de mot isolée de la première couche en silicium polycristallin par une couche ( 48) en oxyde de silicium ayant une épaisseur d'environ 500 angstrfms. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que: le substrat est dopé de modificateurs de conducti- -vité du type P; et les régions de source et de drain sont dopées de modificateurs de conductivité du type N. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la porte flottante est en forme de "verre de montre", avec sa partie étroite alignée avec la région de canal.