Brevet FR2693308A1 — publié le 19940107

MEMOIRE EEPROM A TRIPLES GRILLES ET SON PROCEDE DE FABRICATION DESCRIPTION La présente invention a pour objet une mémoire EEPROM intégrée, c'est-à-dire une mémoire à lecture seule, programmable et effaçable électriquement par bloc, ainsi que son procédé de fabrication. Cette mémoire est du type flash. L'invention s'applique en particulier dans le domaine de la fabrication des circuits de mémoire intégrés du type MOS ou du type CMOS à grandes densités d'intégration. Une mémoire EEPROM intégrée est un circuit intégré comportant une partie mémoire proprement dite formée d'une matrice de plusieurs points mémoires ou cellules mémoires connectés électriquement entre eux et des circuits périphériques servant à commander ces points mémoires. L'invention a trait uniquement à La partie mémoire proprement dite. Le concept de mémoire EEPROM flash a été introduit la première fois en 1984 par Toshiba qui proposait une structure à triples grilles, une grille flottante, une grille de contrôle pour la programmation et la lecture et une grille d'effacement réalisées en silicium polycristallin. Cette mémoire était de grande dimension et présentait, pour des règles de dessin (ou Largeur de grille flottante) de 21ut, des points 2 mémoires de 64pm de surface. Cette structure fut très vite abandonnée car elle ne permettait pas de viser de grandes dimensions d'intégration, c'est-à-dire la 6 mémorisation d'au moins 10 éléments binaires, avec des règles de dessin submicroniques. L'évolution majeure du concept de mémoire flash dont L'intérêt principal est de viser de grandes capacités mémoires pour remplacer les disques durs ou les disquettes dans les micro-ordinateurs personnels, a été apportée par Intel en 1988 avec l'introduction de la cellule appelée ETOX qui présente le grand avantage d'être semblable à une cellule EPROM. Cette cellule est notamment décrite dans le document IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. 24, n05, d'octobre 1989, pp. 1259-1263, "A 90-ns onemillion erase/program cycle 1-Mbit flash memory" de V. N. Kynett et al. Chaque point mémoire ETOX comporte un simple transistor à double grille dont la particularité réside dans l'épaisseur de l'oxyde de grille qui est réduit aux alentours de 10nom pour permettre un effacement par effet tunnel de La grille flottante. La programmation et La lecture de cette mémoire sont identiques à celles d'une mémoire EPROM. Pour chaque cellule mémoire, l'effacement est réalisé en portant une tension de 12V sur la source du transistor tout en maintenant sa grille de commande à La masse. Les électrons de la grille flottante sont collectés par la source par effet tunnel à travers L'oxyde de grille mince de la cellule. La source étant commune à toutes les cellules du plan mémoire, l'effacement est collectif et toute la mémoire peut être effacée en une seule opération. Ce dispositif a donc ouvert la voie aux grandes densités d'intégration et de nombreuses sociétés ont également adopté ce concept de cellule mémoire. Cependant, si d'un point de vue densité d'intégration ce concept est très intéressant, il présente de nombreux problèmes d'un point de vue électrique. En effet, l'emploi d'une tension élevée (12V) sur la source provoque généralement la mise en avalanche de la jonction source-substrat de la cellule, ce qui a pour conséquence d'injecter des trous dans l'oxyde de grille de la cellule et de créer des défauts électriques. Par ailleurs, le courant important utilisé lors de l'effacement nécessite une alimentation extérieure de 12V, La compatibilité avec une alimentation extérieure du circuit sous 5V n'est donc pas possible. De plus, l'oxyde de grille étant aminci à lOnm ou moins, tous les effets parasites d'une cellule EPROM sont amplifiés et gênent son fonctionnement. En particulier, le phénomène de conduction parasite des cellules appartenant à la même ligne d'éléments binaires que la cellule que l'on adresse (ou "turn-on" en terminologie anglo-saxonne) est accrû, la programmation devient plus difficile et l'écriture d'informations parasites ou "soft-write" est importante. Enfin, L'oxyde de grille de 10nom environ est soumis à un vieillissement prématuré du fait des électrons chauds injectés du côté du drain pendant La programmation et de l'injection de trous chauds pendant l'effacement du côté de la source. Cet oxyde vieillit donc très vite et il est difficile de tenir 10000 cycles de lecture-écriture avec ce type de cellule mémoire. Récemment, pour contourner ces problèmes importants, il a été proposé, toujours avec le même type de cellule de mémoire, d'amener une tension négative d'environ -10 à -12V sur la grille flottante pendant l'effacement, ce qui permet de réduire La tension appliquée sur la source à 5V, d'utiliser les circuits de commande correspondants fonctionnant en 5V et de supprimer l'avalanche de la jonction sourcesubstrat. Une telle technique est notamment décrite 2 dans Le document "A new flash EP ROM cell using triple polysilicon technology" de Fujio Masuoka et aI., IEDM 1984, pp. 464-467 et dans le document "A 5V-Only 0,6#m flash EEPROM with row decoder scheme in triple-well structure" de Masao Kuriyama et al., IEEE 1992, pp. 152-153. Cette solution est attrayante d'un point de vue électrique mais pose un problème de conception car il est difficile d'engendrer et de véhiculer une tension négative sur un circuit intégré uniquement alimenté avec 5V ou OV. L'invention a pour objet une mémoire EEPROM intégrée de type flash ou non et son procédé de fabrication permettant de remédier aux différents inconvénients mentionnés ci-dessus. En particulier, cette mémoire peut être alimentée avec des sources de tension de 5V et donc sans problème électrique au niveau de l'oxyde de grille qui peut rester identique à celui d'une mémoire EPROM conventionnelle, c'est-à-dire supérieure à 10nm, et donc ne présentant pas les effets parasites ci-dessus. En outre, la densité d'intégration de la mémoire EEPROM de L'invention est identique à celle des EPROM et est donc très grande. Pour ce faire, l'invention propose une mémoire EEPROM à triples grilles réalisée selon une structure en T conventionnelle, sans impact notable sur la densité d'intégration. De façon plus précise, L'invention a pour objet une mémoire EEPROM intégrée comportant un substrat semi-conducteur, une matrice de cellules mémoires isolées électriquement les unes des autres, formée sur le substrat, chaque cellule mémoire comprenant un empilement de grilles constitué d'un isolant de grille, d'une grille flottante et d'une grille de commande séparées par un isolant électrique intergrille, l'isolant de grille étant interposé entre la grille flottante et le substrat, une source et un drain formés dans le substrat de part et d'autre de cet empilement, une grille d'effacement formée au-dessus de la source et en partie à cheval sur l'empilement, isolée électriquement de la source et des grilles de cet empilement, et des bandes conductrices pour appliquer des signaux électriques respectivement sur les empilements de grilles, les grilles d'effacement, les sources et les drains. Selon l'invention, il est possible d'utiliser des grilles flottantes, de commande et d'effacement en métal (Al et ses alliages, i) en un siliciure d'un métal réfractaire (TiSi 2' TaSi, WSi ) ou de préférence 2 en silicium polycristallin dopé au phosphore (0,5 à 2X en poids), dans le cas particulier d'un substrat en silicium. silicium. Après programmation d'une cellule de mémoire selon l'invention, et injection d'électrons dans la grille flottante correspondante, on effectue l'effacement en polarisant la grille d'effacement à un potentiel de l'ordre de 10 à 12V. L'épaisseur de l'isolant électrique utilisé entre la grille flottante et la grille d'effacement, est ajustée de façon à permettre le passage des électrons vers cette grille d'effacement par effet tunnel depuis la grille flottante. Ainsi, l'isolant de grille des cellules mémoires peut avoir une épaisseur supérieure à 10nm, contrairement aux mémoires de type ETOX. Cet isolant est généralement un oxyde de silicium, mais il pourraSt être en nitrure de silicium ou en oxynitrure de silicium. Les isolants intergrilles y compris ceux prévus entre les grilles flottantes et les grilles d'effacement peuvent être réalisés en n'importe quel type de matériau isolant comme SiO, Si N, SiO N avec 0 L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'une mémoire EEPROM telle que décrite précédemment. Selon une première variante de mise en oeuvre, le procédé de l'invention comporte les étapes suivantes a) - réalisation desdits empilements, b) - formation d'une couche mince d'isolant électrique sur les zones de sources et de drains et sur les flancs des empilements, c) - implantation d'ions dans le substrat, à travers la couche mince d'isolant, pour former les sources et drains ayant un type de conductivité opposé à celui du substrat, les empilements servant de masque à cette implantation, d) - dépôt d'une couche conductrice sur la structure obtenue en c), e) - gravure de cette couche pour former la grille d'effacement au-dessus des sources et en partie à cheval sur les empilements, et f) - isolation de la structure obtenue en e). Selon une seconde variante de mise en oeuvre du procédé conforme a# lin On effectue tfectut les étapes suivantes A) - réalisation desdits empilements, B) - formation d'une couche mince d'isolant électrique sur les zones de sources et de drains et sur les flancs des empilements, C) - dépôt d'une couche conductrice sur la structure obtenue en B), D) - gravure de cette couche pour former la grille d'effacement au-dessus des zones de sources et en partie à cheval sur les empilements, E) - implantation d'ions dans le substrat, à travers la couche mince d'isolant et la couche conductrice, pour former les sources et drains ayant un type de conductivité opposé à celui du substrat, les empilements servant de masque à cette implantation, et F) - isolation de la structure obtenue en E). Dans cette seconde variante, il est nécessaire d'utiliser une implantation ionique à plus forte énergie que dans la variante précédente (de l'ordre de 150 à l80keV) pour traverser l'épaisseur des grilles d'effacement. En revanche, cette solution présente un avantage qui réside dans le fait que l'implantation est positionnée automatiquement par rapport aux grilles d'effacement et qu'elle est séparée de l'empilement de grilles ou de la double grille par l'épaisseur de ces grilles d'effacement. Il est ainsi possible de contrôler le courant de chaque cellule mémoire à l'aide du potentiel appliqué sur cette grille d'effacement qui agit alors comme la grille de commande d'un transistor monogrille de type MIS connecté en série avec chaque cellule de mémoire et permet ainsi de rendre cette dernière insensible aux perçages parasites. Dans le cas d'un substrat, de grilles flottantes et de commande en silicium, la couche mince d'isolant est obtenue par oxydation thermique du silicium. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles - la figure 1 est une vue de dessus d'une partie d'une mémoire EEPROM conforme à l'invention montrant la connexion des grilles d'effacement, - les figures 2 et 2b sont des vues en coupe de la figure 1 respectivement selon la ligne A-A (ou ligne d'éléments binaires) et la ligne B-B (ou ligne de mots), - les figures 3 à 5 illustrent schématiquement en coupe selon une ligne de mots les différentes étapes de fabrication d'une cellule conforme à l'invention. L'invention s'applique aussi bien à un substrat en silicium de type N qu'à un substrat de type P. En outre, les transistors auxquels s'applique l'invention peuvent être de type N ou P. Lors de l'utilisation de structures CMOS, il est nécessaire d'effectuer en début de procédé des caissons de type N ou P suivant la nature du substrat utilisé. La description qui suit se réfère à l'utilisation d'un substrat en silicium monocristallin de type P et à la réalisation de transistors à canal N dans ce substrat. En référence aux figures 1, 2a et 2b, la mémoire de l'invention comporte des cellules mémoires 2 formées sur un substrat 4 et isolées les unes des autres par un oxyde de champ 5 de type LOCOS. Chaque cellule de mémoire 2 de l'invention comporte un oxyde de grille 6 typiquement de 20nm, au lieu de 10nm dans le cas d'une mémoire selon l'art antérieur, une grille flottante 8 de 150nm environ réalisée en silicium polycristallin dopé au phosphore, noté poly-1, une grille de commande 10 de 150nm environ en silicium polycristallin dopé au phosphore, noté poly-2, isolée de la grille flottante 8 par un isolant intergrille 12. Cet isolant 12 est constitué d'un empilement de trois couches, une couche d'oxyde de silicium recouverte d'une fine couche de nitrure de silicium puis d'une fine couche d'oxyde de silicium. L'ensemble est équivalent à une couche de SiO de 20nm 2 d'épaisseur. De part et d'autre de chaque empilement 19 de grilles, on trouve deux zones diffusées dans le substrat 14 et 16, jouant respectivement le rôle de drain et de source, ayant une conductivité N+ inverse de celle du substrat P. L'ensemble des empilements de grilles et des sources et drains est recouvert d'une couche d'oxyde mince 18 de 200nm d'épaisseur. Conformément à l'invention, chaque cellule de mémoire 2 comporte une grille d'effacement 22 réalisée en silicium polycristallin dopé, d'environ 150 à 200nm d'épaisseur, noté poly-3. Chaque grille d'effacement 22 est formée au-dessus de La source 16 du transistor correspondant et est isolée de celle-ci par la couche d'isolant 18. En outre, la grille d'effacement 22 remonte sur le flanc de C'empilement 19 de grilles flottantes et de commande pour se terminer au-dessus de cet empilement. La couche 18 assure alors l'isolement de la grille d'effacement 22 vis-à-vis de la grille flottante 8 et de la grille de commande 10. Pour deux cellules de mémoire côte-å-côte, les deux grilles d'effacement sont monobloc et forment un U. Dans ce type de mémoire, chaque source 16 et chaque drain 14 est commun à deux cellules de mémoire adjacentes. Ainsi, chaque cellule 2 comporte un demicontact électrique 24 en métal sur les drains. Chaque contact est constitué d'un plot de tungstène formé dans des ouvertures 26 d'une couche isolante 28 en verre dopé par du bore et du phosphore (BPSG), recouvrant L'ensemble de la mémoire. Ensuite, on trouve des bandes métalliques 30 parallèles en contact avec les plots 24, destinées à appliquer les tensions nécessaires sur les drains. Ces bandes 30 sont en aluminium et constituent chacune une ligne d'éléments binaires. Comme représenté sur La figure 1, les grilles de commande 10 des cellules mémoires sont reliées entre elLes et constituent en partie des lignes de mots 10a de la mémoire, parallèles entre elles et perpendiculaires aux lignes 30 et réalisées en poly-2. Les tensions de commande à appliquer sur les grilles de commande sont assurées par ces lignes de mots 10a. Les tensions d'alimentation appliquées sur les sources sont réalisées à l'aide de bandes conductrices 32 parallèles, formées au-dessus de la couche isolante 28 dans la même couche métallique que les lignes d'éléments binaires. La couche isolante 28 comporte à cet effet des ouvertures dans lesquelles sont formés des contacts électriques 34 similaires au contact électrique de drain. En général, on trouve une ligne de sources 32 toutes les 16 lignes d'éléments binaires. Conformément à L'invention, les grilles d'effacement 22 sont toutes reliées électriquement entre elles notamment à l'aide de bandes transversales 36 en poly-3. Une bande conductrice 38 en contact électrique avec les parties transversales 36 assure l'application de la tension d'effacement simultanément sur les grilles 22 d'effacement des cellules de mémoire. Cette bande 38 est réalisée parallèlement aux réalisée aux lignes diffusées 14 de drains et de sources 16 et est réalisée par une ligne diffusée dans le substrat, en même temps que les zones 14 et 16. En référence aux figures 3 à 5, on décrit ciaprès la fabrication de la mémoire EEPROM conforme à l'invention. Après réalisation de L'isolation de champ 5, on effectue une oxydation thermique du silicium à 10000C sous oxygène sec pour former l'isolant de grille 6 sur L'ensemble de la structure. On effectue alors l'ajustement de la tension de seuil des cellules de mémoire par implantation ionique de bore à une énergie 12 2 typique de 30keV et une dose de l'ordre de 10 at/cm On dépose alors Le premier niveau de silicium polycristallin par dépôt chimique en phase vapeur basse pression (LPCVD) à 6200C pour réaliser les grilles flottantes 8, suivi d'un dopage par diffusion thermique de POIL3 à 9500C pendant 30 min. On effectue alors une gravure du poly-1 pour fixer la longueur des grilles flottantes 8 (mesurée selon le pLan de la figure 2b) par un procédé classique de photolithographie en utilisant une gravure ionique réactive (RIE) avec du SF 6 On réalise alors L'isolant 12 intergrille, entre les grilles flottantes et de commande, en effectuant une oxydation thermique du poly-1, un dépôt de nitrure de silicium par LPCVD à 8000C puis une réoxydation thermique de ce nitrure. On effectue alors Le dépôt de la seconde couche de silicium polycristallin sur L'ensemble de la structure que l'on dope au phosphore comme décrit précédemment. Une étape de photolithographie définit les grilles de commande 10 des cellules de mémoire dans le poly-2. La gravure de ces grilles de commande est effectuée par RIE avec un mélange de SF6/Cl2 pour 6 2 graver la seconde couche de silicium polycristallin et fixer ainsi la largeur des grilles 10 et des lignes de mots 10a, et un mélange de SF pour graver le 3 diélectrique 12 intergrille. On grave alors les grilles flottantes de manière autoalignée par rapport aux grilles de commande en utilisant une gravure RIE avec un mélange de HBrlCl avec arrêt sur l'oxyde de grille 2 6, et fixer ainsi la largeur des grilles flottantes. On effectue ensuite une réoxydation de C'ensemble de la structure à 10000C sous oxygène sec de manière à faire crotte L'isolant 18 au-dessus des régions de sources et drains, de l'empilement 19 de grilles et des flancs de cet empilement. La structure obtenue est alors celle représentée sur la figure 3. On effectue alors, comme représenté sur la figure 4, une implantation ionique 40 pour réaliser les drains 14 et sources 16 des transistors par exemple à l'aide d'arsenic à 80keV pour une dose de 15 2 5.10 at/cm . Cette implantation est réalisée en utilisant Les empilements de grilles 19 comme masque. Après activation thermique de cette implantation ionique par exemple à 9000C pendant 30 min sous azote, on effectue, comme représenté sur la figure 5, le dépôt du troisième niveau de silicium polycristallin par LPCVD à 6200C à l'aide de silane. Ce silicium est ensuite dopé par POCl3à 950 C. On réalise ensuite, par photolithographie une gravure de cette troisième couche de silicium polycristallin pour fixer les formes des grilles d'effacement 22. La gravure est effectuée par RIE en utilisant un mélange de chlore et de HBr. Après réalisation des grilles d'effacement 22, le procédé redevient conventionnel. La suite du procédé comprend - la réoxydation 23 de la troisième grille ainsi formée par oxydation thermique à 9500C sous oxygène sec avec une épaisseur typique sur les flancs du silicium polycristallin de 30nom - le dépôt 28 de verre dopé bore et phosphore par dépôt chimique en phase vapeur à pression atmosphérique (APCVD) avec une épaisseur typique de 700nm ; - la fluage de ce verre dopé par un traitement thermique à 9500C sous N2 pendant 30 min ; - la réalisation des trous de contact 26 et 34 dans la couche 28 par photolithographie et gravure sèche RIE à l'aide de CHF - le dépôt par pulvérisation cathodique sur toute la structure d'une couche d'aluminium avec 1X de silicium, sur une épaisseur typique de 700nm ; ; - puis la réalisation des lignes d'éléments binaires 30 et des lignes de sources 32 dans cette couche d'Al-Si par photolithographie et gravure sèche RIE à l'aide de BCI 3 Enfin, une couche de passivation généralement formée d'un verre dopé phosphore est déposée par APCVD sur une épaisseur typique de îym sur toute la structure. REVENDICATIONS 1. Mémoire EEPROM intégrée comportant un substrat semi-conducteur (4), une matrice de cellules mémoires (2) isolées électriquement les unes des autres, formée sur le substrat, chaque cellule mémoire comprenant un empilement (19) de grilles constitué d'un isolant de grille (6), d'une grille flottante (8) et d'une grille de commande (10) séparées par un isolant électrique intergrille (12), l'isolant de grille étant interposé entre la grille flottante et le substrat, une source (16) et un drain (14) formés dans le substrat de part et d'autre de cet empilement, une grille d'effacement (22) formée au-dessus de la source et en partie à cheval sur l'empilement et isolée électriquement (18) de la source et des grilles de cet empilement, et des bandes conductrices (10a, 38, 30, 32) pour appliquer des signaux électriques respectivement sur les empilements de grilles, Les grilles d'effacement, les sources et les drains. 2. Mémoire selon La revendication 1, caractérisée en ce que le substrat étant du silicium, les grilles d'effacement (22) sont réalisées en silicium polycristallin dopé. 3. Mémoire selon la revendication 2, caractérisée en ce que les isolants de grille sont de l'oxyde de silicium d'épaisseur > îOnm. 4. Mémoire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les isolants intergri îles sont en un matériau tri couche d'oxyde, de nitrure et d'oxyde de silicium. 5. Procédé de fabrication d'une mémoire EEPROM comportant un substrat semi-conducteur (4) d'un type donné de conductivité, une matrice de cellules mémoires (2) isolées électriquement les unes des autres, formée sur le substrat, chaque cellule mémoire comprenant un empilement (19) de grilles constitué d'un isolant de grille (6), d'une grille flottante (8) et d'une grille de commande (10) séparées par un isolant électrique intergrille (12), l'isolant de grille étant interposé entre la grille flottante et le substrat, une source (16) et un drain (14) formés dans le substat de part et d'autre de cet empilement, et une grille d'effacement (22), ce procédé comportant les étapes suivantes :: a) - réalisation desdits empilements (19), b) - formation d'une couche mince d'isolant électrique (18) sur les zones de sources et de drains et sur les flancs des empilements, c) - implantation d'ions (40) dans le substrat d'un type de conductivité opposé à celui du substrat pour y former les sources et drains, les empilements servant de masque å cette implantation réalisée à travers la couche mince d'isolant, d) - dépôt d'une couche conductrice (22) sur La structure obtenue en c), e) - gravure de cette couche pour former les grilles d'effacement au-dessus des sources et en partie à cheval sur les empilements, et f) - isolation (23, 28) de la structure obtenue en e). 6. Procédé de fabrication d'une mémoire EEPROM comportant un substrat semi-conducteur (4) d'un type donné de conductivité, une matrice de cellules mémoires (2) isolées électriquement les unes des autres, formée sur le substrat, chaque cellule mémoire comprenant un empilement (19) de grilles constitué d'un isolant de grille (6), d'une grille flottante (8) et d'une grille de commande (10) séparées par un isolant électrique intergrille (12), l'isolant de grille étant interposé entre la grille flottante et le substrat, une source (16) et un drain (14) formés dans le substat de part et d'autre de cet empilement, et une grille d'effacement (22), ce procédé comportant les étapes suivantes :: A) - réalisation desdits empilements (19), B) - formation d'une couche mince d'isolant électrique (18) sur les zones de sources et de drains et sur les flancs des empilements, C) - dépôt d'une couche conductrice (22) sur la structure obtenue en B), D) - gravure de cette couche pour former les grilles d'effacement au-dessus des zones de sources et à cheval sur les empilements, E) - implantation d'ions (40) dans le substrat, à travers La couche mince d'isolant et la couche conductrice, pour former les sources et drains ayant un type de conductivité opposé à celui du substrat, les empilements servant de masque à cette implantation, et F) - isolation (23, 28) de la structure obtenue en E). 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le substrat étant du silicium, les grilles d'effacement (22) sont réalisées en silicium polycristallin dopé. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le substrat, les grilles flottantes et de commande étant en silicium, la couche mince d'isolant est obtenue par oxydation thermique du silicium. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on isole les grilles d'effacement (22) par oxydation thermique de ces grilles d'effacement.