Brevet FR2649823A1 — publié le 19910118

FUSIBLE MOS A CLAQUAGE D'OXYDE ET SON APPLICATION AUX CARTES A MEMOIRE L'invention se rapporte au domaine des circuits intégrés MOS, Métal/Oxyde/Semi-conducteur et plus particulièrement à un fusible utilisable dans de tels circuits. L'utilisation de fusibles dans les circuits intégrés est très répandue, notamment pour la programmation de mémoires mortes ou pour obtenir une configuration de circuit, après le claquage du ou des fusibles, différente de la configuration initiale. C'est le cas par exemple des circuits intégrés pour cartes à puces o les fusibles après claquage, permettent de bloquer l'accès à certaines zones de circuit. En général, il n'est pas possible de fixer cette configuration lors de la fabrication du circuit, car l'accès à ces zones doit être possible pour le test du circuit et pour sa personnalisation. Ce n'est qu'ensuite que l'accès à ces zones doit être interdit. Pour cette application, la sécurité de la carte est étroitement liée à un bon claquage des fusibles. D'autres applications pour les fusibles dans les circuits-intégrés sont mises en oeuvre, par exemple dans les mémoires haute capacité pour la redondance, les colonnes (ou les lignes) défectueuses étant remplacées après claquage d'un fusible correspondant par des colonnes (ou des lignes) supplémentaires. On connaît différent types de fusibles utilisables dans les circuits intégrés notamment dan les mémoires programmables ou l'inscription est faite par claquage de fusible ou de jonction. Le fusible est réalisé sous forme d'une mince couche de métal d'alliage de nickel et de chrome, ou surtout de Silicium polycristallin de meilleure fiabilité détruite par application d'une puissance élevée. Le claquage de jonction nécessite lui aussi des conditions de claquage bien maîtrisées avec des courants assez élevés. La limitation principale des fusibles classiques est donc la nécessité de mettre en oeuvre de grandes puissances de claquage, par exemple des courants de 100 à 200 mA sous 10 à 20V. Or ceci est incompatible de l'évolution de la technologie des circuits intégrés o la tendance est à la diminution de la consommation des circuits, et à la diminution des tensions internes et des tensions claquage des diodes ou des jonctions. Ainsi il est plus difficile avec la technologie actuelle de claquer correctement un fusible dans les circuits intégrés CMOS que dans les circuits d'il y a quelques années surtout du fait que la tension appliquée pendant le claquage doit être beaucoup plus basse qu'auparavant. D'autres problèmes sont également mal résolus, par exemple les claquages parasites de fusibles mis en parallèle avec des fusibles à claquer: en effet, durant le claquage d'un fusible, la conduction du transistor de commande de claquage peut provoquer le claquage "parasite" d'un fusible non souhaité. La seule façon de résoudre ce problème consiste à diminuer la tension de claquage, mais cela rend plus difficile le claquage du fusible souhaité. Un autre problème résulte du claquage du fusible par décharge électrostatique. En effet ce claquage intervient dans des conditions qui se rapprochent aujourd'hui des caractéristiques requises sur les entrées/sorties des circuits. Ainsi, le claquage par décharge électrostatique peut intervenir pour 500V alors que les tensions d'entrées sorties atteignent fréquemment 5000V. L'utilisation de fusibles sur les broches d'entrées/sorties et leur claquage durant l'application est donc impossible. Pour remédier à ces inconvénients, des concepteurs de circuits intégrés ont mis au point des cellules mémoires ou "points mémoires" MOS programmables électriquement (EPROM ou EEPROM) dont l'état logique, circuit ouvert (1) ou passant (0), est déterminé par l'existence ou non de charges accumulées sur une grille flottante (non connectée). La programmation d'une telle cellule, c'est à dire le passage de l'état "circuit ouvert" à l'état "circuit passant" équivaut à décaler le seuil de conduction par ces charges accumulées sur la grille flottante. Une telle cellule à deux états logiques est équivalente à un fusible sauf en ce qui concerne l'irréversibilité. En effet, les charges accumulées sur la grille flottante peuvent être supprimées par exemple par échauffement du circuit, par radioactivité, par effet d'ondes électromagnétiques, ou encore par compensation de ces charges par des charges stockées dans l'oxyde mince des cellules, entre les électrodes de source et de drain et la grille flottante. Or pour les applications du type cartes à puces, toute la sécurité repose sur le fait qu'il doit être impossible, après claquage du fusible, de le ramener dans l'état logique existant avant le claquage. L'invention a pour objet un fusible à structure Métal/Oxyde/Semiconducteur qui ne présente pas les inconvénients des fusibles classiques en ce qui concerne les puissances de claquage nécessaires et qui ne présente pas les inconvénients des cellules MOS programmables d'un état initial à un autre état par stockage de charges en ce qui concerne la sécurité. Selon l'invention on propose un fusible MOS à claquage d'oxyde, caractérisé en ce qu'il est formé d'une cellule MOS comportant au moins une électrode obtenue par dopage d'un substrat, ce substrat étant recouvert d'oxyde de silicium dans lequel est noyé au moins une grille formée de silicium polycristallin reliée à une borne de contact extérieure, l'épaisseur d'oxyde entre la grille et l'électrode étant amincie sur une partie de la longueur de recouvrement grille-électrode pour former une fenêtre d'oxyde de faible épaisseur et en ce qu'un claquage de l'oxyde irréversible est obtenu au niveau de la fenêtre, lorsque nécessaire, par application d'un champ électrique supérieur à un seuil de claquage entre la grille et l'électrode. L'invention à également pour également pour objet, l'application de ce fusible aux cartes à mémoire. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en références aux figures annexées: - les figures la et lb représentent le schéma en coupe d'une cellule MOS programmable à grille flottante connue, et le schéma électrique symbolique équivalent; - les figures 2a et 2b représentent le schéma du fusible MOS à claquage d'oxyde selon l'invention et le schéma électrique symbolique correspondant; - La figure 3 est le schéma du montage nécessaire au claquage du fusible; - La figure 4 est un chronogramme des tensions de commande correspondantes. La figure la représente une cellule mémoire MOS programmable et effaçable électriquement à effet tunnel connue: le substrat silicium est dopé N+ pour former d'une part la source S, d'autre part le drain D, puis est recouvert d'une couche d'oxyde de silicium, d'une grille FG de silicium polycristallin dite grille "flottante" parce que non connectée, et d'une seconde grille G sur laquelle est prévu un point de contact. La grille flottante forme avec le drain sur une partie de sa longueur, une fenêtre tunnel mince F, typiquement par une épaisseur de 0,01 micromètre d'oxyde. Le point de contact de la grille G est raccordée à une ligne de. mots. Comme indiqué ci-dessus, la programmation d'une telle cellule est obtenue par effet tunnel, un champ électrique intense, typiquement 10 MV/cm, permettant aux charges électriques de traverser la fenêtre d'oxyde du tunnel et de se retrouver stockées sur la grille flottante FG. Suivant la direction du champ électrique, les charges stockées sont soit des trous, soit des électrons. Pour une fenêtre d'oxyde de 0,01 micromêtre, il faut appliquer une tension de 10 V sur la grille flottante FG pour obtenir un champ électrique suffisant pour permettre la traversée des charges par effet tunnel. Pour cela il faut que la tension appliquée à la grille G par la "ligne de mots" soit déterminée en tenant compte du coefficient de couplage capacitif entre les deux grilles G et FG. Par exemple, si ce coefficient de couplage est égal à 0.5, la tension appliquée à G doit être égale à 20 V pour obtenir 10 V par couplage capacitif sur la grille FG et déclencher l'effet tunnel, le drain étant maintenu à OV. De la même façon, il suffit d'appliquer 20 V sur le drain de la cellule en maintenant la grille à OV pour déclencher le transfert de charges par effet tunnel avec un champ électrique inversé. Une telle cellule lorsqu'elle est "effacée" (électrons stockées sur la grille flottante FG) a sa tension du seuil VT0 égale à environ 5V; une cellule "programmée" (trous stockés sur la grille flottante) a sa tension de seuil VT1 égale à environ 3V. Si pour la lecture, une tension de 2V est appliquée sur la grille G, la cellule effacée, ne conduit pas et la cellule programmée conduit. L'oxyde de la fenêtre tunnel entre la grille FG et le drain est un élément très fragile du fait de sa faible épaisseur. Cette structure d'oxyde en couche mince entre le drain et la grille pour former la fenêtre est nécessaire pour que la conduction par effet tunnel puisse s'effectuer. Cet effet à lieu juste avant que le claquage électrostatique de l'oxyde ne se produise. A titre d'exemple, si l'effet tunnel est déclenché par un champ électrique compris entre 8 et 10MV/cm, le claquage de l'oxyde se produit pour un champ électrique d'environ 12MV/cm ou même inférieur si le champ électrique est appliqué brusquement. Dans les cellules EEPROM de ce type, la tension nécessaire lors de la programmation est augmentée très lentement, 20 V/ms, pour éviter le claquage de l'oxyde. La figure la représente le schéma électrique équivalent de cette cellule avec source S, drain D, grille G et grille flottante intermédiaire FG, à une distance très faible (0,01 micromètre) du drain sur une partie de sa longueur. L'invention utilise pour constituer le fusible une structure tout à fait semblable, mais au lieu de programmer la cellule comme décrit ci-dessus, l'oxyde de tunnel est "claqué", une résistance de faible valeur est alors établie entre le drain et la grille FG. Pour cela les deux grilles G et FG sont interconnectées, et, de préférence, au lieu de monter la tersion de programmation lentement, cette tension est montée rapidement. l'interconnexion des deux grilles permet de supprimer le couplage capacitif entre les deux grilles en établissant entre elles une liaison directe. De plus, l'une des bornes de la résistance formée par l'oxyde tunnel peut être mise à la masse. Ainsi, dans les mêmes conditions de tension appliquée que pour la cellule décrite ci-dessus utilisée en mémoire, un champ électrique de 20 MV/cm est obtenu entre G (et FG) et le drain D, ce qui est tout à fait suffisant pou obtenir le claquage de l'oxyde dans la fenêtre. De plus l'application rapide de la tension permet d'obtenir un très bon claquage de l'oxyde tunnel et donc une résistance entre drain et grille la plus faible possible. Cette condition d'application rapide de la tension de claquage n'est pas indispensable car, avec des tensions de cette amplitude l'oxyde de tunnel subira en tout état de cause un claquage; néanmoins, lorsque la tension est appliquée plus lentement, le claquage est moins net et une résistance un peu plus élevée peut subsister entre drain et grille. La figure 2a illustre en coupe la structure correspondante du fusible semblable à celle de la cellule mémoire, mais dans laquelle les deux grilles sont interconnectées. Elles sont marquées G1 et G2 sur cette figure car il n'y a plus de grille "flottante". La tension de claquage est appliquée entre la borne B (grilles) et la borne A (connexion de drain D sur la figure la). La zone dopée correspondant à la source S de la figure la n'est pas connectée. la figure 2b est le schéma électrique symbolique équivalent. La figure 3 illustre le montage utilisé pour effectuer le claquage de l'oxyde qui fait passer le fusible de son état initial "ouvert" à son état "passant" lorsque nécessaire, cette transformation étant irréversible: le fusible F1 représenté comme montré sur la figure 2b a donc une borne non connectée, sa borne A reliée à une tension d'alimentation Vpp via un transistor T1 dont la grille est connectée à une borne de commande, COMVpp, et sa borne B reliée à la masse via un transistor T2 dont la grille est connectée à une borne de commande COMVss. Pour claquer ce "fusible" le signal de commande de T2,COMVpp, est augmenté jusqu'à la tension d'alimentation Vpp, alors que le signal de commande COMVss initialement à l'état haut, est ramené à 0. A l'instant tl sur le chronogramme de la figure 4, le transistor T2 se bloque et T1 commence à conduire. La tension au noeud B reste flottante. Aucun champ électrique n'est alors généré à travers l'oxyde tunnel. A l'instant t2, la tension au noeud A est Vpp = 20V et la tension au noeud B est 0V. Un champ électrique intense 20 MV/cm existe donc dans la fenêtre tunnel qui claque rapidement. Une fuite vers la masse du détecteur de courant apparaît; ce qui fait descendre le potentiel au noeud A. Le phénomène de claquage s'arrête alors. En détection, la tension appliquée sur la grille de T1, COMVpp = 0V et le transistor T1 est bloqué. la tension appliquée sur la grille de T2, COMVss = 5V (il faut juste rendre T2 conducteur), ce qui porte les grilles (noeud B) de la cellule fusible F1 à Vss (OV). - lorsque l'oxyde de la fenêtre tunnel est intact, il n'y a aucun courant dans la cellule fusible F1, et le détecteur de courant indique cette absence de courant; - lorsque l'oxyde est claqué, une faible résistance entre A et B existe, ce qui induit un courant I vers la masse du détecteur, un état différent est alors détecté. Ce phénomène de claquage est irréversible. Aucun chauffage (recuit) du circuit ne peut changer la structure de l'oxyde claqué. De plus, comme l'effet n'est pas un stockage de charges, aucun essai de décharge ou de stockage de charges dans l'oxyde mince de la cellule ne peut affecter l'état de la cellule fusible. Ce claquage est rapide, lms, comparativement à la durée de programmation d'une cellule (Fig la) de l'ordre de 5ms, ou à la durée nécessaire au claquage d'un fusible classique de l'ordre de lOOms. Aucune puissance n'est nécessaire, et le générateur interne de tension Vpp étant utilisé pour le claquage de l'oxyde, il est possible dans le cadre d'une application aux circuits intégrés pour cartes, de prévoir de griller, un ou des fusibles du circuit dès qu'une anomalie est constatée, sans qu'un éventuel fraudeur puisse l'empêcher. Une telle structure peut également être utilisée pour construire des mémoires EPROM à une seule programmation. Ainsi des cartes à mémoire peuvent être personnalisées par des changements irréversibles dans la structure des circuits par claquage d'oxyde. Habituellement, comme indiqué ci-dessus, lorsque la personnalisation est obtenue par des dispositions particulières lors de la fabrication, elle nécessite des opérations de masquage chères, lentes et peu souples, et lorsque la personnalisation est effectuée par. programmation électrique de cellules EPROM ou EEPROM, les structures résultantes sont vulnérables. Pratiquement pour transformer une cellule telle que représentée sur la figure la en fusible tel que représenté sur la figure 2a, il suffit lors de l'opération de dépôt d'oxyde de silicium sur la grille flottante de réserver une zone pour le contact entre les deux grilles, le contact étant obtenu lorsque le silicium polycrystallin de la deuxième grille est déposé dans la zone réservée. Une autre possibilité consisterait à prévoir des points de contacts accessibles sur la grille flottante de toutes les cellules de ce type, et de connecter ces points aux lignes de mots des seules cellules utilisées comme fusibles. L'invention n'est pas limitée à la structure telle que décrite en détail ci-dessus en référence aux figures 2a et suivantes. En effet les cellules EEPROM à effet tunnel étant parfaitement connues, il à été proposé pour réaliser un fusible à claquage d'oxyde d'utiliser la même structure avec seulement une connexion supplémentaire entre les deux grilles. Bien entendu, cette structure est intéressante parce qu'elle existe; mais si un fusible à claquage d'oxyde devait être réalisé spécialement pour fonctionner comme décrit ci-dessus, on voit que l'électrode de "source" peut être supprimée car non utilisée, tout comme la grille G1 si la connexion grille est prise directement sur G2. La structure minimale est donc constituée du substrat avec son électrode dopée (N+ par exemple), l'oxyde et la grille formant dans une zone de l'oxyde au dessus de l'électrode une fenêtre tunnel F. REVENDICATIONS 1. Fusible MOS & claquage d'oxyde, caractérisé en ce qu'il est formé d'une cellule MOS comportant au moins une électrode (A), obtenue par dopage d'un substrat, ce substrat étant recouvert d'oxyde de silicium dans lequel est noyée au moins une grille (G2) formée de silicium polycristallin reliée à une borne de contact extérieure, l'épaisseur d'oxyde entre la grille et l'électrode étant amincie sur une partie de la longueur de recouvrement grille-électrode pour former une fenêtre d'oxyde de faible épaisseur (F) et en ce qu'un claquage de l'oxyde irréversible est obtenu au niveau de la fenêtre, lorsque nécessaire, par application d'un champ électrique supérieur à un seuil de claquage entre la grille (G2) et l'électrode (A). 2. Fusible selon la revendication 1 utilisant une cellule MOS programmable électriquement comportant deux électrodes formées par dopage du substrat, une grille recouvrant partiellement l'une des deux électrodes dont elle est séparée par une couche d'oxyde amincie pour former une fenêtre tunnel (F), et une seconde grille séparée de la première par une couche d'oxyde, caractérisé en ce que les deux grilles (Gl, G2) sont interconnectées pour permettre l'application d'un champ électrique de claquage suffisant dans la fenêtre (F). 3. Fusible selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la fenêtre étant de l'ordre de 0,01 micromètre, le champ électrique de claquage appiiqué lorsqu'il y a lieu entre grille et -électrode est supérieur à 12MV/cm. 4. Application du fusible selon l'une des revendications précédentes aux cartes à mémoires pour bloquer de manière irréversible, après personnalisation des cartes, l'accès à certaines zones de circuits de ces cartes. 5. Réseau mémoire comportant des fusibles selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour constituer ses points mémoirés, ces points mémoires étant ainsi programmables par claquage d'oxyde.