Brevet FR2550662A1 — publié le 19850215

La présente invention concerne de fagon générale des dispositifs de commutation électroniques rapides à semiconducteurs pour des circuits intégrés, et elle porte plus particulièrement sur des transistors à effet de champ. Les circuits à très haut niveau d'intégration, comme les microprocesseurs, exigent des portes logiques à faible dissipation de puissance, pour éviter une dissipation de puissance excessive dans le circuit global La dissipation de puissance et les retards de commutation sont cepen10 dant liés conformément à leur produit, appelé produit puissance-retard, qui est fixé essentiellement par la taille du dispositif (c'est-à-dire la taille des motifs élémentaires) et par l'excursion de tension Les dispositifs actuels du type TEC MOS (transistor à effet de champ métal- oxyde15 semiconducteur) des circuits à très haut niveau d'intégration fonctionnent de façon caractéristique à environ volts, et pour des tailles de motifs élémentaires d'environ 1 pm, le produit puissance- retard est d'environ 100 femtojoules( 1 femtojoule = 10-15 joule) Ceci, combiné avec une dissipation de puissance d'environ 1 p W (microwatt) par dispositif, limite les retards de commutation à une valeur supérieure à environ 10 ns (nanosecondes) On peut également concevoir des TEC MOS de façon à obtenir des retards d'environ 50 ps (picosecondes), mais la dissipation de puissance augmente alors jusqu'à environ 1 m W par dispositif Une telle valeur de dissipation est trop élevée pour permettre l'utilisation du grand nombre de dispositifs qui sont nécessaires dans des circuits à très haut niveau d'intégration. Il existe un besoin concernant un dispositif de commutation qui puisse fonctionner simultanément à une vitesse élevée (par exemple C 1 ns) et à faible puissance (par exemple 1 u W), ce qui correspond à un produit puissance-retard 5 inférieur ou égal à 1 femtojoule Du fait que les tailles de motif élémentaire approchent des limites fondamentales portant sur la taille minimale, on ne peut parvenir à une telle diminution du produit puissance-retard qu'en diminuant considérablement les excursions de tension Cependant, des limites 10 pratiques relativement sévères s'appliquent aux excursions de tension dans les dispositifs TEC MOS actuels en technologie à très haut niveau d'intégration, et le fonctionnement à la température ambiante empêche l'utilisation de telles tensions faibles. Conformément à l'invention, un dispositif à effet de champ à canal enterré est conçu de façon à présenter un figeage des porteurs majoritaires dans la région de canal (et, par coïncidence, dans le substrat) On polarise le dispositif et on applique une impulsion de tension de grille. Ceci génère une conductance transitoire dans le canal enterré, sous l'effet de l'impulsion. La tension d'impulsion de commutation qui est nécessaire pour produire la conductivité transitoire est suffisamment faible pour permettre une commutation rapide La 25 transconductance statique de la région de canal est très faible à cause du figeage des porteurs et de l'absence d'effets de conductivité de surface La réponse de conductivité transitoire du canal enterré aux impulsions de commutation ne dépend pas d'une tension de seuil absolue, mais dépend au contraire de la tension d'impulsion différentielle, sur une plage notable d'environ un volt ou plus de la tension absolue de grille Il en résulte qu'un circuit intégré contenant de grands nombres de tels dispositifs ne présentera pas une sensibilité à des variations des tensions absolues apparaissant 35 dans des dispositifs individuels, ou à des variations, d'un dispositif à un autre, des tensions de seuil des dispositifs. En faisant fonctionner des dispositifs à une température faible et en réalisant un élément de commutation dynamique basé sur des processus hors équilibre dans le semiconducteur, l'invention décrite ici permet d'obtenir des tensions de commutation descendant jusqu'à 25 m V (millivolts) et des produits puissance-retard descendant jusqu'à quelques atojoules (ato= 10 18), ce qui est compatible avec les limites pratiques de sensibilité de tension des circuits à très haut niveau 10 d'intégration. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une coupe schématique exagérée, en représentation de face, d'une partie d'un circuit comprenant un TEC MOS à canal enterré conforme à un mode de réalisation. La figure 2 est une représentation graphique approximative du courant statique mesuré expérimentalement 20 dans les régions de canal enterré et de canal de surface du dispositif de la figure 2, avec une tension de polarisation variable sur la grille. La figure 3 est une représentation plus détaillée de l'augmentation initiale du courant pour le courant transi25 toire qui est représenté dans la case 44 de la figure 1. Un mode de réalisation de la présente invention correspond au dispositif 10 de la figure 1, qui comprend un TEC MOS à canal N, 11, du type à canal enterré Le TEC MOS 11 comprend un substrat 12 en silicium dopé au bore, de con30 ductivité de type P, ayant sur une surface une région conductrice 14 fortement dopée, de type P++, recouverte par une électrode de polarisation de substrat, 16, en métal Le substrat 12 a une orientation correspondant à un plan d'indice de Miller ( 100), et une conductivité de 8 ohms-centimètres. 35 Dans la surface opposée du substrat 12 est formée une région de drain conductrice N++, 18, sur laquelle est fixé un contact ohmique 20 Une région de source conductrice N++, 22 est formée à distance de la région de drain 18, et un contact ohmique 24 est fixé sur la région 22 Sur la surface du substrat 12 entre la source 22 et le drain 18 se trouve une électrode de grille en métal 26 qui est séparée du substrat 12 par une couche d'isolation en oxyde 28 Une région de canal 30 est formée dans la région de surface du substrat 12, jusqu'à une profondeur égale à x entre le drain 18 et la J source 22, par l'ajout d'un dopant compensateur de type N ou par la croissance d'une couche de surface de type N, pour donner à cette région une conductivité de type N Ceci forme une jonction P-N 32 à l'intérieur du substrat 12, entre le drain 18 et la source 22 Une couche de surface de type N 15 dans la région de canal 30, d'environ 0,5 im d'épaisseur, avec une résistivité en volume d'environ 0,2 ohm-centimètre assure la formation d'une région de canal enterrée exempte de champ. On place le dispositif TEC MOS 11 en contact intime avec un corps refroidi 34 qui maintient sa température à moins d'environ 30 degrés Kelvin Ceci a pour effet de figer pratiquement tous les porteurs majoritaires (électrons) dans la région de canal 30, ce qui la rend semi-isolante. On sait qu'on peut concevoir des circuits utili25 sant des TEC MOS ordinaires pour les faire fonctionner à 77 degrés Kelvin, ce qui est la température d'ébullition de l'azote à la pression normale A cette température, ces dispositifs fonctionnent avec une efficacité accrue, en grande partie à cause de la mobilité plus élevée des porteurs Les 30 mécanismes sous-jacents des dispositifs sont cependant par ailleurs similaires à ceux qui interviennent dans un tel dispositif à 300 degrés Kelvin, ou à la température ambiante. Lorsqu'on refroidit un TEC MOS à une température plus basse, inférieure à environ 30 degrés Kelvin, le figeage des por35 teurs devient prépondérant Les impuretés de dopage sont généralement dans un état de charge neutre à l'équilibre, plutôt que dans l'état de charge ionisé, et les régions du dispositif qui sont exemptes de champ sont semi-isolantes Au lieu de réagir à la vitesse de relaxation diélectrique, comme 5 aux températures plus élevées, la charge des impuretés réagit à des changements de potentiel aux vitesses plus lentes correspondant à la capture et à l'émission de porteurs Les régions de source et de drain d'un TEC MOS peuvent fournir rapidement des porteurs mobiles pour compenser la réponse 10 plus lente de la charge d'impuretés Ceci produit un effet de conductance transitoire dans l'état figé qui est une conséquence de conduction hors équilibre pendant la relaxation de la charge d'impuretés ionisées Ce transitoire de conductance dans l'état figé se relaxe lorsque la largeur de la 15 couche de déplétion de surface se contracte pour atteindre sa nouvelle largeur d'équilibre, en neutralisant des atomes donneurs dans la couche de déplétion de surface, par des processus de capture de porteurs majoritaires Le temps de relaxation est long par rapport à des temps de commutation 20 inférieurs à la nanoseconde, et des temps de relaxation caractéristiques sont supérieurs à environ 10-8 seconde. Cependant, la relaxation ne peut pas démarrer avant que des porteurs majoritaires soient présents La conductance précède donc nécessairement la relaxation (et la conductance) de la 25 couche de déplétion de surface. Lorsque le TEC MOS 11 est correctement polarisé (par exemple lorsque la tension grille-source Vgs est gs d'environ O volt, la tension drainsource Vds est d'environ 25 millivolts, la tension entre la polarisation de substrat 30 et la source, Vbs, est d'environ O volt), une région de déplétion de surface 36 d'une épaisseur Wset une région de déplétion intérieure 38 d'une épaisseur Wb se forment à l'intérieur de la région de canal de type N, 30 Les régions de déplétion 36, 38 sont séparées par un canal de conduction 35 enterré 40, exempt de champ, ayant une épaisseur Wbc. Lorsque la tension de polarisation Vgs de la grille 26 reçoit une impulsion de valeur A Vgs, comme il est représenté schématiquement dans la case 42, une conductivité transitoire, représentée schématiquement dans la case 44, apparaît dans le canal enterré 40 On considère que la conductivité transitoire est due à des porteurs mobiles effectuant une migration qui les fait pénétrer dans le canal enterré 40, à partir de la source 22 et du drain 18, à cause du champ soudain qui apparaît dans le canal enterré 40 sous l'effet de l'impulsion de commutation Les atomes d'impuretés de la couche de déplétion de surface sont totalement ionisés Après que les porteurs majoritaires ont été injectés dans le canal enterré 40, ceux qui se trouvent près du bord de la couche de déplétion de surface 36 sont capturés par des donneurs ionisés, ce qui neutralise des atomes donneurs au bord de la couche de déplétion 36 et entraîne une contraction de la largeur Ws de la couche de déplétion de surface 36 Au fur et à mesure que les porteurs majoritaires sont piégés, la conductivité diminue jusqu'à ce que tous les porteurs aient 20 été piégés (cq'est-à-dire que la conductivité s'annule). Lorsque la tension de grille Vgs est rétablie à sa valeur d'origine, la couche de déplétion de surface 36 se dilate pour revenir à sa largeur d'origine Ws, parle processus beaucoup plus lent d'émission de porteurs Pour la stabili25 té, la largeur de l'impulsion de grille doit être faible vis-à-vis du temps de capture, c'est-à-dire environ une nanoseconde ou moins La conductance retourne très rapidement à zéro (lorsque la polarisation de grille est rétablie), par extraction de porteurs par l'intermédiaire de la source 22 30 et du drain 18. Sur le graphique de la figure 2, l'ordonnée représente le courant de source statique Ids du TEC MOS 11, en ampères, tandis que l'abscisse représente la tension de polarisation de grille Vgs en volts Une conductance stati35 que faible est désirable par le fait que, entre autres, elle réduit la puissance continue et la sensibilité vis-à-vis des polarisations statiques Chacune des courbes tracées est représentative du courant pour la température donnée On peut voir qu'aux températures basses, il y a une diminution extrê5 mement importante du courant dans la région de canal 30, due au fait que Ies porteurs sont figés A une température inférieure à environ 10 degrés Kelvin, ce courant est négligeable, jusqu'à la tension de seuil Vt pour la conduction de surface pour le dispositif 10 La tension de bande plate Vfb 10 sur la figure 2 est le seuil de polarisation de grille pour la formation du canal enterré 30 (c'est-à-dire Wbc > O sur la figure 1) Pour la commutation hors équilibre qui est envisagée ici, le dispositif doit être polarisé à Vfb 4 Vgs de Vfb et Vt par des procédés connus au cours de la fabrication des TEC MOS, pour l'ajustement de la tension de seuil. La largeur Ws de la région de déplétion de surface 36 et la largeur Wb de la région de déplétion intérieure 38 20 dépendent du niveau d'énergie de Fermi (et donc de la température) dans la région de canal 30 et dans le substrat 12. Ces largeurs augmentent donc quelque peu lorsque la température diminue et, en diminuant elles réduisent, pour un ensemble donné de tensions de polarisation, la largeur Wbc du canal enterré 40 La figure 2 montre cependant que ceci ne produit qu'un petit décalage (comparé à la plage de fonctionnement Vt-Vfb) de la tension de seuil Vten fonction de la température La figure 2 suggère que le courant statique dans le canal enterré 40 varie en fonction de la température 30 de la même manière que la densité de porteurs, et queil n'y a pas d'effets d'injection de porteurs prononcés produisant des augmentations notables de la conductance statique du canal enterré 40. La réponse de courant transitoire prévue à l'impul35 sion de commutation àVgs, qui est représentée schématiquement dans la case 44 de la figure 1, est représentée de façon plus détaillée sur le graphique de la figure 3 L'ordonnée représente l'amplitude initiale du courant transitoire A Ids en microampères, avec Vds = 25 m V L'abscisse représente une amplitude de tension de polarisation de grille a Vgs, de valeur croissante Cette conductivité transitoire procure un mécanisme pour réaliser un dispositif de commutation dynamique Le fonctionnement dynamique aussi bien que le fonctionnement à basse température constituent des obstacles très 10 importants pour l'application pratique dans des circuits logiques D'autre part, la vitesse élevée, correspondant à des temps inférieurs à environ une nanoseconde, et la faible puissance, inférieure à environ un nanowatt qui sont prévus à Vds = 25 m V, A Ids = 1 p A, compensent probablement ces obstacles, qu'on peut également considérer comme des conditions nécessaires pour fonctionner avec des excursions de tension faibles, d'environ 25 millivolts ou moins. Des limitations pratiques importantes ont empêché précédemment l'utilisation d'une excursion de tension de 20 valeur faible dans des dispositifs logiques à semiconducteur à effet de champ en technologie à très haut niveau d'intégrationmême aux basses températures Trois propriétés générales du dispositif 10 satisfont les conditions qui semblent s'appliquer aux dispositifs TEC MOS à très haut niveau d'intégration fonctionnant à faible tension ( 1) La transconductance statique faible supprime les limitations dues à la polarisation de régime permanent et les incertitudes sur la tension de seuil ( 2) La transconductance dynamique du TEC MOS 11 procure un courant d'environ i microampère pour 30 V((CONX Il EON)= 25 millivolts et Vds = 25 millivolts Ce niveau de courant est en accord avec les modèles de transconductance statique de TEC MOS classiques avec un rapport de forme de 1:5 et avec les mobilités plus élevées qu'on obtient à une température inférieure ( 3) Enfin, le fait de placer le 35 canal enterré 40 à distance de la frontière entre l'isolant 28 et le semiconducteur 12 semble nécessaire pour assouplir les limitations dues aux états de surface, aux défauts d'uniformité du potentiel de surface et à des effets de percolation, ainsi qu'à la quantification de surface;qui empêche5 raient par ailleurs d'obtenir un déblocage abrupt, c'est-àdire une valeur faible de A Vgs(DEBL) Les effets de conductivité transitoire signalés précédemment pour des TEC MOS sont des effets de conductance de surface, statiques, et exigent généralement des impulsions de tension élevées sur la grille 10 pour donner des circuits à très haut niveau d'intégration qui soient fiables Ils ne satisfont donc pas les trois conditions ci-dessus Cependant, la conductivité transitoire dans une structure de TEC MOS à canal enterré comme le TEC MOS 11 permet effectivement une commutation avec une tension 15 faible. La température à laquelle le figeage des porteurs commence à devenir prépondérant dans un semiconducteur dopé varie en fonction du dopant particulier qui est utilisé Il peut exister un certain nombre d'autres dopants, comme des 20 dopants ayant un niveau de bande d'énergie qui est profond par rapport à celui du bore, qui donnent lieu à une condition de figeage à des températures très supérieures à 30 degrés Kelvin On a par exemple trouvé que lorsqu'on utilise du tellure pour le dopant, il y a un figeage des porteurs à des 25 températures supérieures à 77 degrés Kelvin Ceci présente une importance pratique particulière, du fait qu'on peut aisément maintenir des dispositifs à de telles températures en utilisant seulement de l'azote liquide bouillant, à la température et à la pression normales Plus précisément, on 30 a introduit le tellure par implantation ionique à 150 000 électons-volts ( 150 ke V) dans le substrat de silicium 12, formé par croissance par la méthode de Czochralski, ayant une résistivité de 10 ohms-centimètres, avec une dose de tellure de 5 x 102 atomes par centimètre carré On a effectué 35 ceci avant la formation de la couche isolante d'oxyde 28 à travers l'ouverture ou la "fenêtre" qui définit la zone sur laquelle on doit faire croître la couche isolante d'oxyde 28 pendant le processus de fabrication du TEC MOS On a recuit le substrat 12 implanté, à 900 WC dans une atmosphère d'azote, 5 pendant 30 minutes On a ensuite fait croître la couche isolante d'oxyde 28 à 10500 C, pendant 45 minutes, et on a à nouveau recuit la structure dans de l'azote pendant 15 minutes à 1050 C On a ensuite formé l'électrode de grille en aluminium 26 et on a recuit le dispositif pendant 30 minutes 10 dans un gaz de formation à 4500 C L'invention concerne donc moins l'utilisation d'une température ou d'une plage de température particulière, que l'établissement d'une condition de figeage des porteurs dans le dispositif de commutation, qui est suffisamment prédominante pour permettre la réalisation 15 de fonctions de commutation utiles. Le signal d'entrée dynamique qui est appliqué au dispositif de commutation conforme à l'invention consiste en un champ sous forme d'impulsions dans un région de canal Le mécanisme destiné à produire cette variation impulsionnelle 20 du champ ne fait pas intervenir nécessairement une structure à grille isolée, comme c'est le cas pour un TEC MOS, et peut consister en n'importe quels autres moyens commodes pour produire une telle variation impulsionnelle du champ. Il va de soi que de nombreuses modifications peu25 vent être apportées au procédé et au dispositif décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif à l'état solide à effet de champ comprenant un corps semiconducteur ayant une première région d'un premier type de conductivité, contiguë à une seconde région d'un second type de conductivité, pour former une jonction P-N entre elles, caractérisé par: des moyens ( 34) destinés à établir une condition de figeage des porteurs majoritaires au moins à l'intérieur de la première région ( 30), des moyens ( 16, 26, 28) destinés à produire à l'inté10 rieur de ce corps un champ électrique qui est de façon générale perpendiculaire à la jonction P-N ( 32), pour former un canal de conduction enterré ( 40) dans la première région ( 30), et des moyens ( 20, 18; 24, 22) destinés à établir des contacts avec le corps aux extrémités opposées du canal enterré ( 40), grâce à quoi un chemin conducteur transitoire est établi dans le canal enterré entre les moyens de contact, sous l'effet d'une variation impulsionnelle du champ électrique. 2 Dispositif selon la revendication 1, caracté20 risé en ce que les moyens d'établissement de contacts comprennent une paire de régions de contact conductrices et mutuellement espacées ( 18, 22), du premier type de conductivité, formées à la surface du corps et s'étendant dans ce dernier. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens destinés à produire un champ électrique comprennent une première électrode ( 26) adjacente à la première région ( 30) et une seconde électrode ( 16) adjacente à la seconde région ( 12). 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première électrode ( 26) consiste en une électrode de grille qui est séparée de la première région par une couche isolante ( 28). Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que la seconde électrode consiste en une couche conductrice ( 14) du second type de conductivité dans la surface de la seconde région, et en une couche de métal ( 16) sur cette couche conductrice. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens destinés à établir une condition de figeage comprennent des moyens ( 34) pour refroidir le corps. 7 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps semiconducteur contient un dopant ayant 10 un niveau de bande d'énergie relativement profond. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le corps semiconducteur consiste en silicium et le dopant est du tellure. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractéri15 sé en ce que le dopant est introduit par implantation ionique avec une dose d'environ 5 xl O 12 atomes par centimètre carré. Procédé d'utilisation d'un transistor à effet de champ à canal enterré, dans lequel on applique des tensions de polarisation à l'électrode de grille et à l'électrode de 20 polarisation de substrat du transistor, de façon à former un canal enterré dans la région de canal, caractérisé en ce qu'on refroidit suffisamment le transistor pour établir une condition de figeage des porteurs majoritaires dans sa région de canal, et on applique des impulsions de tension de 25 commutation à la grille du transistor, grâce à quoi un chemin conducteur transitoire est établi entre la source et le drain du transistor, à travers le canal enterré, sous l'effet des impulsions de commutation. 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé 30 en ce que le refroidissement -est effectué jusqu'à une température inférieure à environ 30 degrés Kelvin.