Brevet FR2650109A1 — publié le 19910125

-1 CIRCUIT INTEGRE MOS A TENSION DE SEUIL AJUSTABLE L'invention se rapporte aux circuits intégrés MOS, (métal, Oxyde-SemiConducteur) et plus particulièrement aux circuits intégrés dans lesquels la tension de seuil est ajustable précisément. Les circuits intégrés de type MOS utilisent un ou deux types de transistors pour réaliser toutes les fonctions du circuit. Dans les technologies les plus récentes, ce sont des transistors du type n et du type p. Avec ces deux types de transistors il est possible de réaliser très facilement toutes les fonctions logiques, c'est à dire toutes les fonctions utilisant uniquement des portes logiques et des réseaux logiques programmables, PLA (pour programmable logic arrays). Les problèmes deviennent plus difficiles à résoudre lorsqu'il s'agit de réaliser des fonctions qui sortent de la logique classique. Or, la plupart des circuits actuels nécessitent au moins une fonction plus ou moins analogique. C'est le cas par exemple de la remise à zéro lors de la mise sous tension (power-on reset selon la terminologie anglosaxonne); c'est le cas également des détecteurs de niveau de tension, des amplificateurs de lecture de mémoire, des amplificateurs opérationnels, des convertisseurs analogiques-numériques ou numériques- analogiques, etc...Tous ces circuits nécessitent des références de tension analogiques, et le problème est la précision de ces références. Avec des circuits intégrés classiques cette précision est souvent très difficile à obtenir du fait de la variation des paramètres des transistors suivant les différents lots de production desquels ils proviennent. En effet, le fonctionnement d'un transistor en régime de saturation peut être décrit par une équation qui exprime le courant de drain ID, en fonction notamment de la tension entre la grille et la source VGS, et de la tension de seuil VT du transistor. Tous ces paramètres varient suivant les lots de production, et le contrôle précis de la valeur du courant de drain en fonction de la tension de commande grille-source est impossible. Le problème est encore plus difficile quand un circuit nécessitant une grande précision utilise deux types de transistors, type n et type p. En effet les paramètres électriques de ces deux types de transistors peuvent varier dans des directions opposées, ce qui conduit à des dispersions importantes dans le fonctionnement d'un tel type de circuits. Le paramètre qui influe le plus sur les caractéristiques du transistor est sa tension'de seuil. Or cette tension de seuil varie avec la variation de la tension de la source du transistor. En conséquence, même si la tension de seuil VTO peut être ajustée précisément lorsque la source est reliée à la masse, il est très difficile d'obtenir des valeurs de fonctionnement stables en régime de fonctionnement. L'invention a pour objet une cellule MOS dans laquelle la tension de seuil des transistors est rendue ajustable. Selon l'invention, une cellule MOS à tension de seuil ajustable est caractérisée en ce qu'elle est formée d'une cellule du type à mémoire, programmable et effaçable électriquement par stockage de charges par effet tunnel sous une grille flottante sous l'effet d'un champ intense, et en ce que la tension de seuil est ajustée, dans une phase de calibration par stockage d'une quantité prédéfinie de charges sous la grille flottante. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées. La figure 1 illustre un circuit générant une tension de référence simple selon l'art antérieur; Les figures 2a et 2b illustrent respectivement le schéma en coupe d'une cellule programmable et effaçable électriquement, et le schéma électrique équivalent; Les figures 3a et 3b illustrent la cellule polarisée respectivement durant les deux phases nécessaires à l'ajustement de la tension de seuil; La figure 4 illustre la caractéristique de la cellule IDS=f(VG) pour différentes tensions de seuil; La figure 5 illustre un circuit de génération d'une tension de référence selon l'invention; La figure 6 illustre un circuit de détection d'un niveau d'entrée selon l'invention. Sur la figure 1 qui illustre l'art antérieur, pour générer une tension de référence Vref, égale à 3 fois la tension de seuil d'un transistor, on utilise trois transistors T1, T2, T3, reliés en série entre la masse et la source d'un transistor de sortie T dont le drain est relié à la tension d'alimentation, la grille de ce dernier transistor de sortie, étant reliée à la masse. Chacun des transistors T1, T2, et T3 a son drain relié à sa grille. Dans ces conditions, la tension de seuil VTO, lorsque la tension grille-source des transistors est nulle étant supposée égale pour ces trois transistors, la tension de référence de sortie est égale à la somme des tensions de seuil des trois transistors, VT1+VT2 + VT3. La tension de source du premier transistor T1 étant nulle, la tension de seuil VT1 est égale à VTO. Par contre, la tension de source du transistor T2 est égale à la tension de seuil VT1; de même la tension de source du transistor T3 est égale à la tension VT2 + VT1. En conséquence la tension de référence Vréf est: Vref = VTO + (VTO + A VTO) + (VTO + B(VTO+AVTO)) Vref = VTO (3+A+B+ AB) o A et B sont les coefficients de variation des seuils des transistors, en fonction de la tension de source. Ces coefficients liés à l'effet de substrat peuvent, comme indiqué cidessus, varier beaucoup d'un lot de production à l'autre. En conséquence la tension de sortie varie également, et la tension supposée de référence n'est pas stable d'un montage à l'autre. Pour obtenir une tension de référence stable il faudrait que la série des trois transistors soit remplacée par un seul transistor ayant une tension de seuil trois fois plus grande, et que cette tension de seuil soit stable. L'invention a pour objet un circuit intégré dans lequel on "fabrique" un transistor ayant une tension de seuil parfaitement connue et ajustable dans une large gamme de tension. Pour cela le circuit intégré MOS suivant l'invention utilise la structure de base des cellules mémoire programmables et effaçables électriquement. La figure 2a illustre la structure d'une telle cellule mémoire MOS programmable et effaçable électriquement dans un mode de réalisation particulièrement bien adapté à l'invention. Cette cellule est constituée d'un substrat de type P dans lequel sont implantées des zones dopées N+ pour former la source S et le drain D, l'ensemble étant recouvert d'une couche d'oxyde de silicium puis d'une grille en polysilicium, FG dite flottante parce que non connectée, séparée d'une seconde grille en polysilicium G par une seconde couche d'oxyde de silicium. Un contact est pris sur la grille G. La grille flottante FG et la grille G sont donc empilées'et recouvrent partiellement le drain D. La grille G n'est séparée du drain, que par une couche d'oxyde de silicium amincie pour former une fenêtre tunnel. Le fonctionnement d'une telle cellule est tel que par application d'un champ électrique important entre le drain et la grille des charges traversent l'oxyde de silicium au niveau de la fenêtre tunnel stockées sous la grille flottante FG. Le schéma électrique équivalent représenté sur la figure 2b montre la source S le drain D la capacité du transistor C2 et une capacité de couplage C1 entre la grille flottante FG et la grille de commande G. Ainsi si le seuil du transistor est égal à VTO, le seuil de la cellule mémoire est égal à: VTC = (C1 + C2)/ C1 x VTO = KVTO- Comme indiqué ci-dessus le seuil VTO est un paramètre * technologique qui ne peut pas être modifié. Une telle cellule a la propriété de permettre le stockage des charges, c'est à dire l'effacement de la cellule (état "1" o le transistor est passant pour une tension de lecture VL), puis la suppression des charges sur la grille flottante FG à la programmation de la cellule (état "O" o le transistor est bloqué pour la tension de lecture VL). Le stockage des charges équivaut à l'application d'une tension initiale sur la grille flottante FG qui décale la caractéristique IDS = F(VG): ainsi si par exemple ces charges sont négatives il faudra appliquer une tension positive sur la grille de commande G pour compenser ses charges. La tension de seuil est alors: VTC = K(VTO + V) o V est la tension de la grille flottante quand la grille de commande reçoit une tension nulle. Cette tension V est due aux charges stockées sous la grille flottante. Il en résulte que par un contrôle des charges stockées sous cette grille, la tension de seuil du dispositif est contrôlée précisément. Il a été indiqué ci-dessus que "l'effacement" de la cellule c'est à dire le stockage des charges sous la grille flottante, est obtenu par l'application d'un champ électrique élevé entre la grille et le drain, les charges étant transférées par effet tunnel à travers la fenêtre prévue entre le drain et la grille flottante à cet effet. Par exemple, la programmation est obtenue en portant la grille de commande à la masse, le drain étant porté à 20 volts, l'épaisseur de la fenêtre tunnel étant de 0. 01 micromètre. La source est alors à un potentiel flottant. Pour l'effacement la source est portée à la masse et la grille au fort potentiel (20 volts) le drain étant non connecté: les charges précédemment stockées sont évacuées et le transistor est bloqué. Pour obtenir le circuit à seuil variable, on procède un peu de la même manière analogue, en deux phases. Dans une première phase, la source est portée à la masse tandis que la grille est portée à haute tension (20 volts environ): les électrons éventuellement stockés sur la grille flottante sont évacués et la tension de seuil est la tension VTO de l'ordre de 5 volts; 26 5 0 1 0 9 Dans une deuxième phase, la source étant toujours portée à la masse, la grille est portée à un potentiel de référence Vréf, et le drain est porté à la haute tension de programmation Vpp. La tension de référence est égale à la tension de seuil que l'on souhaite obtenir. La tension Vpp monte doucement jusqu'au moment o l'effet tunnel est déclenché. Les charges s'accumulent alors sous la grille flottante. Quand le nombre de charges est tel que la tension de seuil atteint Vref le transistor commence à conduire; le courant qui apparaît sur le drain fait baisser la tension de programmation Vpp et celle-ci s'arrête alors de croître. Les charges sont piégées et les bornes de la cellule peuvent être déconnectées. La valeur de tension de seuil ainsi obtenue est très précise et indépendante des paramètres technologiques liés au procédé de fabrication du circuit. La figure 4 illustre 'les caractéristiques de la cellule d'abord avec sa tension de seuil initiale VTO = 5V par exemple, courbe 1, en l'absence de charges stockées sous la grille flottante et VG = V0, puis avec une tension de seuil VTC = 2V, la tension de référence appliquée à la grille ayant été portée Vref = 2V, courbe 2, puis avec une tension de seuil VTC = 2V, la tension de référence appliquée à la grille étant Vref: -2V, courbe 3. L'utilisation d'un tel circuit intégré MOS à tension de seuil ajustable est possible pour de nombreuses applications. Deux exemples sont donnés en référence aux figures 5 et 6. La figure 5 est un exemple d'application dans lequel la cellule à tension de seuil ajustable est utilisée pour obtenir une tension de référence fixe. Pour cela, la cellule CL avec les charges stockées pour que la tension de seuil soit VT = 2 volts, est connectée entre la source du X transistor MOS T de sortie et la masse, la grille de la cellule étant reliée à son drain. La grille du transistor T est reliée à la masse et son drain à une tension d'alimentation. Ainsi, la tension de sortie Vs sur le drain du transistor de sortie T est égale à la tension de seuil VT = 2 volts de la cellule. Comme indiqué ci-dessus, avant son utilisation, pour fixer une tension de référence, la cellule est calibrée au cours d'une calibration préalable en deux phases, comme indiqué ci-dessus. La figure 4 représente un deuxième mode d'utilisation de la cellule à tension de seuil ajustable décrite ci-dessus dans un circuit de détection de tension. Le circuit comporte une cellule CL programmée par stockage de charges sur la grille flottante pour que sa tension de seuil soit égale à VT = 2 volts par exemple, dont le drain. est relié au drain d'un transistor de sortie T et dont la source est reliée à la masse, la source du transistor de sortie T étant reliée à une tension d'alimentation, et les deux grilles de la cellule d'une part et du transistor T d'autre-part étant reliées à une borne d'entrée destinée à recevoir la tension à détecter VIN. Ce circuit fonctionne de la manière suivante. Tant que la tension VIN est inférieure au seuil VT, la cellule ne conduit pas et la tension de sortie Vs est la tension d'alimentation du circuit. Dès que la tension VIN devient supérieure au seuil VT, la cellule conduit, et la tension de sortie Vs diminue. Le fonctionnement de ce circuit peut donc être analysé comme celui d'un inverseur qui fait basculer la sortie dès que la tension d'entrée dépasse la tension de seuil VT. Un tel circuit est utilisable notamment pour réaliser des convertisseurs analogiques-numériques, ou pour le décalage de niveaux de tension. Un troisième exemple d'utilisation d'une telle cellule à tension de seuil ajustable est la réalisation de transistors déplétés à tension de seuil VT négative sans nécessiter de masques et d'étapes de fabrication supplémentaires. En effet, dans les circuits CMOS, l'utilisation de transistors déplétés peut simplifier considérablement les structures du circuit. Mais dans un circuit comportant quelques milliers de transistors, un seul transistor déplété peut être nécessaire. La cellule décrite cidessus permet d'ajuster la tension de seuil à une valeur négative aussi bien qu'à une valeur positive. Un grand avantage de l'invention est lié au fait que la tension de seuil est très précise et que sa valeur peut être tout à fait, analogique, c'est à dire est ajustée à une valeur quelconque choisie dans la gamme -4à +5 V par exemple. L'invention n'est pas limitée aux applications précisément décrites cidessus. En particulier tous les circuits nécessitant de commander des fonctions à partir de la détection de certains niveaux d'entrée peuvent être réalisables avec de telles cellules dans lesquelles la tension de seuil est ajustée. REVENDICATIONS 1. Cellules MOS à tension de seuil ajustable caractérisée en ce qu'elle est formée d'une cellule du type à mémoire, programmable et effaçable électriquement par stockage de charges par effet tunnel sous une grille flottante sous l'effet d'un champ intense, et en ce que la tension de seuil est ajustée, dans une phase de calibration par stockage d'une quantité prédéfinie de charges sous la grille flottante. 2. Cellule selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'ajustement du seuil de la cellule est effectuée au deux phases: - une première phase au cours de laquelle la quantité prédéfinie de charges est stockée sous la grille flottante, un champ électrique au moins égal au champ nécessaire au transfert par effet tunnel étant appliquée dans une fenêtre, la cellule ayant sa source portée à la masse, sa grille de commande portée à une tension de référence (Vref) égale à la tension de seuil souhaitée (VTC), et son drain porté à fort potentiel.