Brevet FR2694450A1 — publié le 19940204

CONDENSATEUR EN TECHNOLOGIE CMOS La présente invention concerne le domaine des circuits intégrés, et plus particulièrement la réalisation de condensa- teurs dans des circuits intégrés de type CMOS à un seul niveau de grille. 5 A titre de rappel, la figure 1 représente un transis- tor 1 à canal N et un transistor 2 à canal P constituant les composants de base d'un circuit intégré CMOS. Le transistor 1 à canal N est directement formé dans un substrat 3 de type P faiblement dopé (P-) Le transistor à canal N comprend, dans une zone délimitée par une couche d'oxyde épais 4, des régions de drain et de source 5 et 6 disjointes et formées de part et d'autre d'une région de canal qui s'étend sous une région de grille 7 isolée par une couche d'oxyde mince 8 Des métallisations 9 et 10 sont respectivement en contact avec les régions de drain et de source 5 et 6. Le transistor 2 à canal P est formé dans un caisson de type N faiblement dopé 11 lui-même formé dans le substrat dans une zone délimitée par une couche d'oxyde épais Ce transistor comprend des régions de drain et de source 12 et 13 séparées par20 une région de canal s'étendant sous une grille 14 isolée par une couche d'oxyde mince 15. Bien entendu, la figure 1 est très schématique et, comme cela est connu, chacun de ses éléments est susceptible de nombreuses variantes de réalisation Par exemple, d'autres modes de prise de contact que des métallisations peuvent être prévus pour assurer les contacts de drain et de source Les grilles 7 et 14 sont couramment constituées d'une couche de silicium poly- cristallin à la surface supérieure de laquelle est parfois formé un siliciure d'un métal réfractaire. La structure décrite ci-dessus est classiquement appe- lée structure CMOS à caisson N En effet, dans cette structure le substrat est de type P et les transistors à canal P sont formés dans des caissons N Inversement, si le substrat était de type N on parlerait de technologie à caisson P et ce serait les transistors à canal N qui seraient formés dans des caissons P eux-mêmes formés dans le substrat de type N. On distingue également les diverses technologies par le nombre de couches de métallisation et de silicium polycris- tallin qui sont formées Dans une technologie simple telle que celle représentée en figure 1, dans laquelle existent simplement des transistors MOS à grille unique, il existe une seule couche de silicium polycristallin dans laquelle sont gravées toutes les grilles qui servent ensuite à délimiter les implantations de source et de drain Il existe en plus généralement deux ou trois niveaux de métallisation: le niveau de métallisation représenté sur la figure servant à la prise de contact sur les régions de source et de drain et un deuxième niveau de métallisation ser- vant à réaliser les interconnections nécessaires entre les divers transistors élémentaires du circuit intégré pour former les circuits souhaités. On distingue aussi les diverses technologies ou fi- lières de fabrication selon le nombre de types de transistors que l'on peut obtenir Dans la structure représentée, il existe un seul type de transistor à canal N et un seul type de transis- tor à canal P formé dans un caisson, tous deux à enrichissement. En effet, dans les technologies simples, il n'est pas prévu d'é- tapes d 'implantation distinctes dans le substrat sous certaines grilles avant formation de celles-ci Il est prévu tout au plus une étape d' implantation générale du substrat avant dépôt du silicium polycristallin de grille Dans ce cas, il existe un seul type de transistor à canal N et un seul type de transistor à canal P, comme cela est représenté en figure 1. Si l'on veut réaliser un condensateur dans un circuit intégré, il existe a priori plusieurs possibilités On peut exa- miner toutes les solutions dans lesquelles la technologie permet d'obtenir de part et d'autre d'une couche isolante deux régions conductrices Ainsi, de façon générale, ces possibilités sont les suivantes. Formation d'un condensateur entre deux niveaux de silicium polycristallin De tels condensateurs sont généralement satisfaisants car la couche d'oxyde prévue entre deux niveaux de silicium polycristallin, qui correspond à une couche isolante entre grille flottante et grille de commande, est une couche de petite épaisseur dont les paramètres sont néoessairement fixés avec précision dans la technologie considérée Ceci permet de fournir des condensateurs de relativement forte valeur pour une surfac donnée mais on se place ici dans le cadre d'une techno- logie o il n'existe qu'un seul niveau de silicium polycristal- lin et qui ne permet pas l'obtention de tels condensateurs. Réalisation d'un condensateur entre la couche de silicium polycristallin et une zone sous-jacente fortement dopée du substrat ou d'un caisson L'isolant d'un tel condensateur serait constitué par un oxyde formé en même temps que l'oxyde de grille qui est un oxyde dont l'épaisseur est définie nécessaire- ment avec précision dans une technologie donnée A nouveau, la réalisation d'un tel condensateur n'est pas possible dans la technologie envisagée o il n'existe pas de possibilité de surdopage d'un substrat ou d'un caisson sous une région de grille particulière avant formation de la grille. Réalisation d'un condensateur entre une couche métallique et une autre couche métallique ou une couche de sili- cium polycristallin La réalisation d'un tel condensateur est envisageable dans la technologie simple considérée Néanmoins, de tels condensateurs auraient nécessairement une surface impor- tante pour une valeur de capacité donnée puisque les couches isolantes destinées à séparer deux métallisations ou une métal- lisation d'un niveau de silicium polycristallin sont nécessaire- ment épaisses En effet, en dehors des emplacements o l'on sou- haite réaliser des condensateurs, on souhaite que les capacités inter-métallisations ou entre métallisation et silicium poly- cristallin soient aussi faibles que possible car elles consti- tuent des capacités parasites qui limitent la vitesse de fonc- tionnement d'un dispositif En outre, ces couches isolantes ont généralement des épaisseurs qui ne sont pas définies avec une forte précision car, pour les autres fonctions du circuit, leur épaisseur n'est pas critique. Ainsi, dans le cadre de la technologie simple envi- sagée, on réalise généralement des condensateurs de la façon illustrée schématiquement en coupe en figure 2 A et en vue de dessus en figure 2 B Le condensateur est constitué exactement comme un transistor MOS à canal N sauf que son drain et sa sour- ce forment une seule et même région 18 et qu'il existe une seule métallisation 19 constituant une électrode du condensateur et correspondant à la connexion des métallisations de source et de drain 9 et 10 de la figure 1 Ces figures 2 A et 2 B ne sont pas décrites plus en détail car elles décrivent une structure connue et sont facilement compréhensibles de l'homme de métier Pour simplifier leur lecture, de mêmes références qu'en figure 1 sont utilisées pour désigner des éléments analogues. La courbe caractéristique d'un condensateur du type de celui des figures 2 A-2 B est illustrée en figure 2 C, la grille 7 constituant la première électrode étant portée à un potentiel VA et la métallisation 19 constituant la deuxième électrode à un potentiel VB. Comme le montre la figure 2 C, la capacité du condensa- teur varie entre une valeur faible Cmin pour des valeurs néga- tives ou légèrement positives de la tension VA-VB et une valeur forte Cmax pour des valeurs positives de VA-VB La transition a lieu pour une tension sensiblement égale à la tension de seuil VT d'un transistor MOS équivalent Ainsi, un tel condensateur est d'utilisation peu souple puisque le potentiel de l'une de ses électrodes doit être supérieur au potentiel de son autre électrode d'un seuil déterminé (VT) pour que oe condensateur ait une capacité par unité de surface relativement élevée et stable VB devant être positif ou nul pour assurer l'isolement de la région 18 par rapport au substrat, on choisira de préfé- rence VB égal à zéro pour avoir une plage aussi grande que possible de variation de VA (VA est compris entre VB+VT et la tension d'alimentation la plus positive du circuit). Ainsi, un objet de la présente invention est de former dans un circuit intégré de type CMOS un condensateur de valeur élevée par unité de surface et de capacité constante sur une large gamme de tensions aux bornes. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel condensateur dont le proèssus de fabrication n'implique pas d'étape supplémentaire par rapport aux étapes classiques de fabrication de transistors CMOS à un seul niveau de grille et sans implantations localisées sous les grilles. Pour atteindre ces objets, la présente invention pré- voit un condensateur de circuit intégré de type CMOS, ce circuit comprenant un substrat d'un premier type de conductivité dans lequel sont formés des caissons du deuxième type de conductivité dont une partie est surmontée d'une grille isolée Ce condensa- teur est formé dans l'un des caissons dont la grille correspond à une première électrode du condensateur, et comprend une région du deuxième type de conductivité à haut niveau de dopage s'éten- dant sensiblement entre la projection de la grille et le voisi- nage de la périphérie du caisson, cette région correspondant à la deuxième électrode du condensateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le condensateur est formé dans deux caissons identiques, chaque caisson comprenant une région du deuxième type de conductivité à haut niveau de dopage s'étendant sensiblement entre la projec- tion de la grille et le voisinage de la périphérie du caisson, chaque grille d'un caisson étant connectée à ladite région de l'autre caisson et constituant une électrode du condensateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacune desdites régions est une région annulaire s'étendant entre la grille et le bord d'un caisson. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacune desdites régions est réalisée en même temps que les régions de drain et de source des transistors MOS à canal du deuxième type de conductivité. Ces objets, caractéristiques, avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: la figure 1, précédemment décrite, représente une vue en coupe schématique de transistors CMOS; les figures 2 A et 2 B représentent respectivement une vue en coupe et une vue de dessus d'un condensateur de type grille/drainsource selon l'art antérieur; la figure 2 C représente la caractéristique capacité/ tension du condensateur des figures 2 A et 2 B; la figure 3 A représente une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un condensateur selon la présente invention; la figure 3 B représente la caractéristique capacité/ tension du condensateur de la figure 3 A; la figure 4 A représente une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un condensateur selon la présente inven- tion; et la figure 4 B représente la caractéristique capacité/ tension du condensateur de la figure 4 A. La figure 3 A représente un caisson N délimité par une couche d'oxyde épais 4 et formé dans un substrat de type P fai- blement dopé 3 Au dessus de ce caisson est formée une grille 21 ayant par exemple la forme de la grille 7 des figures 2 A et 2 B. Ensuite, est formée dans le caisson une région périphérique 22 de même type de conductivité que le caisson, c'est-à-dire de type N, à fort niveau de dopage La capacité selon la présente invention est formée entre la grille 21 et une métallisation 23 ou autre couche de contact avec la région de type N+ 22 Si l'on applique une tension VA à la grille 21 et une tension VB à la métallisation 23, la caractéristique de la capacité en fonction de VA-VB a l'allure générale illustrée en figure 3 B Dans des conditions qui seront précisées ci-après, elle est symétrique par rapport à une valeur pour laquelle VA-VB = 0. Le potentiel VB peut avoir toute valeur positive choisie propre à assurer la polarisation du caisson 20 par rapport au substrat Ainsi, la tension VA peut prendre toute valeur supérieure à la valeur VB et on a alors une capacité sensiblement constante sauf au voisinage immédiat de la valeur VA = VB Cette zone critique est peu gênante car en fait on est rarement intéressé par la linéarité d'un condensateur quand sa charge est nulle. Toutefois, le condensateur de la figure 3 A se comporte comme un condensateur polarisé, qui ne fonctionne bien que quand la tension sur l'une de ses électrodes (VA) présente une pola- rité donnée (positive) par rapport à la tension sur l'autre de ses électrodes. La figure 4 A représente une modification selon la présente invention de la structure de la figure 3 A permettant d'obtenir un condensateur fonctionnant quelle que soit la pola- rité de l'une de ses électrodes par rapport à l'autre Ce condensateur comprend deux cellules 30 et 40 respectivement identiques au condensateur élémentaire de la figure 3 A La première cellule comprend un caisson 31 au dessus duquel est formée une grille 32 entre la périphérie de laquelle et la péri- phérie du caisson s'étend une région de type N fortement dopée 33 De même, la cellule 40 comprend un caisson 41, une grille 42 et une région fortement dopée de type N+ 43 Les régions 33 et 43 sont respectivement revêtues de métallisations 34 et 44 La grille 32 est reliée à la métallisation 44 et la grille 42 est reliée à la métallisation 34 Des bornes A et B solidaires des grilles 32 et 42 constituent les deux bornes du condensateur selon l'invention. En utilisation, il convient que les tensions VA et VB appliquées aux bornes A et B soient toujours positives pour que les caissons 31 et 41 restent isolés du substrat Néanmoins, pour autant que cette condition est satisfaite, la différence de potentiel entre A et B peut être positive ou négative On ob- tient alors un condensateur ayant la caractéristique désignée en figure 4 B par la courbe 51 qui est constituée de la superposi- tion des courbes 52 et 53 correspondant aux capacités de chacune des cellules On voit que la valeur de la capacité est sensible- ment constante, que VA-VB soit positif ou négatif (à condition toujours que VA et VB soient tous deux positifs). La courbe Si présente éventuellement un défaut dans la région 54 o VA est sensiblement égal à VB, mais comme on l'a vu précédemment, ce défaut est peu gênant puisqu'il correspond à une zone o la charge aux bornes du condensateur est nulle. Dans ce qui précède, on a supposé que la caractéri- sation de la figure 3 B était symétrique par rapport au point o elle coupe l'axe VA-VB=O, et en particulier que cette caracté- ristique n'est pas décalée vers la droite ou vers la gauche par rapport à cet axe, ce qui permet d'obtenir une valeur résultante constante telle que représentée par la droite 51 de la figure 4 B En pratique, cette symétrie est obtenue seulement si la structure est réalisée par un procédé convenable Il faut notam- ment que le dopage des caissons 31 et 41 soit suffisamment élevé (par exemple supérieur à 8 1015 at/cm 3), le silicium polycristallin de grille soit rendu conducteur par des atomes dopants de même type que ceux du caisson (ceci n'est pas toujours le cas dans certaines techno- logies à caisson P o la grille est dopée par des dopants de type N), la technologie soit telle qu'il existe peu de charges stockées dans les couches d'oxyde de grille. L'homme de métier trouvera toute indication sur le choix de ces paramètres dans le livre de Microelectronic Devices, E S Yang, McGraw-Hill Book Company, 1988, P 236-244. Le condensateur selon la présente invention peut être fabriqué sans modifier les étapes simples d'une technologie CMOS classique puisque les régions N+ formées dans le caisson N peu- vent être réalisées en même temps que les régions N+ formées directement dans le substrat pour réaliser les transistors MOS à canal N. Bien entendu les diverses figures sont fortement schématiques, les épaisseurs des couches ne sont pas à l'échelle et diverses variantes généralement utilisées pour la réalisation des transistors MOS pourront être mises en oeuvre pour réaliser et optimiser le condensateur selon la présente invention La stucture décrite est notamment compatible avec des technologies dans lesquelles le silicium polycristallin de grille est revêtu d'un siliciure métallique. Un autre avantage du condensateur selon la présente invention, comme cela a été exposé précédemment est que ses caractéristiques sont bien déterminées puisque sa valeur de capacité, plus particulièrement la valeur Cmax de la figure 3 B, dépend essentiellement de l'épaisseur de la couche d'oxyde de grille qui est une caractéristique toujours contrôlée avec une très grande précision dans des dispositifs MOS. Par contre, la valeur Cmin dépend du dopage du cais- son C'est une caractéristique qui est moins bien contrôlée mais ses variations ne sont pas prépondérantes puisque, dans le cas de la figure 3 B, cette caractéristique n'est pas utilisée et, dans le cas de la figure 4 B, c 'est la plus petite des deux composantes qui rentre dans la valeur totale. 5 Dans une expérimentation effectuée par la deman- deresse, avec un substrat de type N, une couche de grille ayant une surface de 104 micromètres carrés, une épaisseur de grille de 24,3 mm, un niveau de dopage de caisson de 9 x O o 15 atomes/cm 3, on a obtenu une valeur Cmax de 14,17 p F et une valeur de Cmin de10 2,60 p F pour une fréquence appliquée de l'ordre de 30 k Hz. il REVENDICATIONS 1 Condensateur de circuit intégré de type CMOS, ce circuit comprenant un substrat d'un premier type de conductivité ( 3) dans lequel sont formés des caissons du deuxième type de conductivité dont une partie est surmontée d'une grille isolée, ce condensateur étant formé dans l'un desdits caissons ( 20) dont la grille ( 21) correspond à une première électrode du condensa- teur, ce condensateur étant caractérisé en ce qu'il comprend une région ( 22) du deuxième type de conductivité à haut niveau de dopage s'étendant sensiblement entre la projection de la grille et le voisinage de la périphérie du caisson, cette région ( 22) correspondant à la deuxième électrode du condensateur. 2 Condensateur de circuit intégré de type CMOS, ce circuit comprenant un substrat d'un premier type de conductivité ( 3) dans lequel sont formés des caissons du deuxième type de conductivité dont une partie est surmontée d'une grille isolée, caractérisé en ce qu'il est formé dans deux caissons identiques ( 31, 41) surmontés de grilles identiques, ( 32, 42), chaque caisson comprenant une région du deuxième type de conductivité ( 33, 43) à haut niveau de dopage s'étendant sensiblement entre la projection de la grille et le voisinage de la périphérie du caisson, chaque grille d'un caisson étant connectée à ladite région de l'autre caisson et constituant une électrode du condensateur. 3 Condensateur selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que chacune desdites régions est une région annu- laire s'étendant entre la grille et le bord d'un caisson. 4 Condensateur selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que chacune desdites régions est réalisée en même temps que les régions de drain et de source des transistors MOS à canal du deuxième type de conductivité. Condensateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites grilles sont en silicium polycristallin dopé selon le deuxième type de conductivité.