Brevet FR2794898A1 — publié le 20001215

DISPOSITIF SEMI-CONDUCTEUR À TENSION DE SEUIL COMPENSÉE ET PROCÉDÉ DE FABRICATION La présente invention concerne d'une manière générale un dispositif semi-conducteur, tel qu'un transistor MOS, présentant une compensation de la chute de la tension de seuil (Vth) due aux effets canaux courts ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel dispositif semi-conducteur. Pour une longueur nominale (L) donnée de canal d'un transistor, la tension de seuil (Vth) en particulier pour les transistors à canaux courts, c'est-à-dire ayant une longueur de canal inférieure à 0,25pm et typiquement une longueur de canal L de l'ordre de 0,18gm, la tension de seuil présente une chute brutale. La tension de seuil d'un dispositif semi-conducteur tel qu'un transistor MOS, en particulier d'un dispositif à canal court, est un paramètre critique du dispositif. En effet, le courant de fuite du dispositif, par exemple du transistor, dépend fortement de cette tension de seuil. Compte-tenu des tensions d'alimentation actuelles et envisagées dans le futur (de 0,9 volt à 1,8 volt) pour de tels dispositifs et des courants de fuite admis (Ioff d'environ 1NA/#tm), la tension de seuil Vth doit présenter des valeurs d'environ 0,2 à 0,25 volt. La chute de tension brutale (roll-off) dans les zones de la région de canal du dispositif semi-conducteur conduisent à une dispersion des caractéristiques électriques du dispositif et rendent difficile l'obtention des tensions de seuil voulues. Afin de remédier à cette chute de la tension de seuil dans les dispositifs semi-conducteurs tels que des transistors MOS, on a proposé, comme décrit dans l'article "Self-Aligned Control of Threshold Voltages in Sub-0.2-pm MOSFET's" (Réglage auto-aligné des tensions de seuil dans les MOSFET sub-0,2p,m) ; Hajima Kurata et Toshihiro Sugii, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 45, No. 10, Octobre 1998, de former dans la région de canal des poches adjacentes aux jonctions des régions de source et de drain ayant une conductivité de même type que le substrat mais dont la concentration en dopant est supérieure à celle du substrat. Bien que cette solution réduise le gradient de chute de la tension de seuil dans la région de canal, les effets canaux courts conduisent à une chute de la tension de seuil Vth plus rapide que l'augmentation de la tension de seuil que l'on peut obtenir en incorporant les poches de compensation de l'art antérieur. Par conséquent, si on peut avec ces poches de compensation de l'art antérieur partiellement compenser localement la chute de la tension de seuil Vth, il n'est pas possible ainsi d'obtenir une compensation complète de la chute sur la totalité du domaine voulu de la région de canal. La présente invention a donc pour objet un dispositif semi conducteur, tel qu'un transistor MOS, qui remédie aux inconvénients des dispositifs de l'art antérieur. La présente invention a plus particulièrement pour objet un dispositif semi-conducteur, tel qu'un transistor MOS, dont la chute de tension de seuil Vth due aux effets canaux courts est compensée pratiquement et permettant d'atteindre des longueurs de canal arbitrairement petites mais non nulles. La présente invention a également pour objet un dispositif semi-conducteur, tel qu'un transistor MOS, présentant une tension de seuil Vth constante lorsque la longueur de canal L diminue jusqu'à des longueurs effectives de canal très faibles, par exemple de 0,025gm ou moins. La présente invention a également pour objet un procédé pour réaliser un dispositif semi-conducteur tel que défini précédemment. Ce procédé peut s'appliquer à des dispositifs à canaux de longueur arbitrairement petite, par ailleurs technologiquement réalisables. On atteint les buts ci-dessus selon l'invention, en réalisant un dispositif semi-conducteur, comprenant un substrat semi-conducteur ayant une concentration Ns prédéterminée en un dopant d'un premier type de conductivité, des régions de source et de drain dopées avec un dopant d'un second type de conductivité opposé au premier et définissant dans le substrat des jonctions délimitant une région de canal de longueur nominale L prédéterminée, et une première poche adjacente dans la région de canal à chacune des jonctions et ayant une longueur Lp prédéterminée, lesdites premières poches étant dopées avec un dopant du premier type de conductivité mais à une concentration locale Np augmentant localement la concentration nette du substrat, ce dispositif se caractérisant par la présence d'au moins une seconde poche adjacente à chacune des jonctions et superposée à chacune des premières poches, ces secondes poches ayant une longueur Ln telle que Ln > Lp et étant dopées avec un dopant du second type de conductivité à une concentration Nn telle que Nn Dans une réalisation préférée de l'invention, les secondes poches comprennent une pluralité de poches élémentaires superposées les unes aux autres, chaque poche élémentaire d'un rang i donné ayant une longueur prédéterminée Lni et une concentration prédéterminée en dopant du second type de conductivité Nni satisfaisant les relations suivantes Lnl > Lp Lni_1 Nni > Nni+l, et la somme INni des concentrations en dopant du second type de conductivité des poches élémentaires étant telle que INni En d'autres termes, les secondes poches diminuent la concentration nette en dopant du premier type de conductivité tant dans les premières poches que dans la région de canal, mais ne changent pas le type de conductivité des premières poches ni de la région de canal. La présente invention concerne également un procédé pour réaliser un dispositif semi-conducteur tel que défini précédemment qui comprend la formation dans un substrat semi-conducteur ayant une concentration prédéterminée Ns en un dopant d'un premier type de conductivité, d'une région de source et d'une région de drain dopées avec un dopant d'un second type de conductivité opposé au premier, les régions de source et de drain formant dans le substrat des jonctions délimitant entre elles une région de canal ayant une longueur nominale L prédéterminée, et la formation dans la région de canal dans une zone adjacente à chacune des jonctions d'une première poche ayant une longueur Lp prédéterminée et une concentration Np prédéterminée augmentant localement la concentration nette du substrat au-delà de la concentration initiale Ns, le procédé se caractérisant par le fait qu'il comprend en outre l'implantation dans la région de canal d'un dopant du second type de conductivité opposé au premier dans des conditions telles qu'il se forme dans la région de canal au moins une seconde poche superposée à chacune respectivement des premières poches et ayant une longueur Ln telle que Ln > Lp et une concentration Nn en dopant du premier type telle que Nn Dans une réalisation préférée du procédé de l'invention, l'implantation du dopant du second type de conductivité consiste en une série d'implantations successives dans des conditions telles que les secondes poches formées sont chacune constituées par une pluralité de poches élémentaires superposées les unes aux autres, chaque poche élémentaire d'un rang i donné ayant une longueur Lni et une concentration en dopant du second type de conductivité Nni satisfaisant les relations Ln1 > Lp Lni_ 1 Nni > Nni+l, et la somme INni des concentrations en dopant du second type de conductivité des poches élémentaires étant telle que ETni Les longueurs des poches Lp et Ln sont établies à partir des jonctions. L'implantation de dopant dans un substrat semi-conducteur est un procédé connu et on peut dans le présent procédé utiliser tout procédé d'implantation classiquement utilisé dans la technologie des semi-conducteurs. Comme cela est connu, la réalisation de poches dopées dans un substrat semi-conducteur dépend de l'angle d'incidence de l'implantation par rapport à la normale au substrat, de la dose et de l'énergie d'implantation du dopant. Ainsi, en faisant varier l'angle d'incidence et la dose de dopant, on peut accroître la longueur de la poche implantée et faire varier la concentration en dopant. En variante, pour faire varier la longueur des secondes poches implantées ainsi que leur concentration en dopant, on peut réaliser des implantations successives avec le même angle d'incidence par rapport à la normale, la même dose et la même énergie d'implantation mais en soumettant le dispositif après chaque implantation successive à un traitement de recuit thermique de manière à faire diffuser différemment le dopant implanté dans le substrat. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1, une première réalisation d'un dispositif semi conducteur, tel qu'un transistor MOS, selon l'invention ; Figure 2, une seconde réalisation d'un dispositif semi conducteur selon l'invention ; et Figure 3, un graphe de la tension de seuil (Vth) de différents dispositifs semi-conducteurs selon l'invention en fonction de la longueur effective de canal. En se référant à la figure 1, on a représenté une première réalisation d'un dispositif semi-conducteur selon l'invention, tel qu'un transistor MOS qui comprend comme cela est classique un substrat semi-conducteur 1, par exemple un substrat de silicium dopé avec un dopant d'un premier type de conductivité, par exemple de conductivité P, dans lequel sont formées des régions de source 2 et de drain 3 dopées avec un dopant d'un second type de conductivité opposé au premier par exemple un dopant de type N qui définissent dans le substrat des jonctions 4, 5 délimitant entre elles une région de canal 6. Comme cela est connu, la région de canal 6 est recouverte d'une couche d'oxyde de grille 11, par exemple une mince couche d'oxyde de silicium, elle-même surmontée par une grille 12 par exemple en silicium. La grille 12, comme cela est également bien connu peut être flanquée sur deux côtés opposés d'espaceurs 13, 14 en matériau diélectrique approprié. Comme cela est connu, pour réduire la vitesse de la chute de tension de seuil Vth dans la région de canal 6, on a formé dans la région de canal, deux premières poches 7, 8, adjacentes chacune respectivement à une des jonctions 4, 5. Ces poches sont dopées au moyen d'un dopant du premier type de conductivité P mais à une concentration Np en dopant de premier type augmentant localement .la concentration du substrat au-delà de Ns et ayant une longueur Lp la plus courte possible. Selon l'invention, on a formé dans la région de canal 6, deux secondes poches 9, 10 qui se superposent chacune à une des premières poches mais dont la longueur Ln est supérieure à la longueur Lp des premières poches et qui sont dopées avec un dopant du second type de conductivité par exemple un dopant de type N à une concentration Nn telle que Nn soit inférieure à la concentration Np en dopant du premier type de conductivité du substrat. Ainsi, dans les zones des secondes poches, la concentration nette en dopant du premier type de conductivité par exemple le dopant de type P, est réduite mais on ne change pas la nature de la conductivité de la région du canal qui demeure toujours une région de conductivité de type P. En se référant à la figure 2 où les mêmes numéros de référence désignent les mêmes éléments que précédemment, on a représenté une autre réalisation d'un dispositif semi-conducteur selon l'invention qui ne diffère du dispositif précédent de la figure 1 que par le fait que les secondes poches 9, 10 sont en fait constituées par des pluralités de poches élémentaires superposées les unes aux autres, trois poches élémentaires dans la réalisation représentée sur la figure 2. Chaque poche élémentaire d'un rang donné i a une longueur Lni et une concentration Nni en dopant du second type de conductivité qui satisfont les relations suivantes Lp En d'autres termes, les poches élémentaires superposées aux premières poches 7 et 8 sont également superposées les unes aux autres mais ont des longueurs croissantes et concurremment des concentrations en dopant du premier type de conductivité qui diminuent au fur et à mesure que leurs longueurs croissent. D'autre part, la somme des concentrations E1ni des poches élémentaires superposées est telle qu'elle reste inférieure' à la concentration Ns en dopant du premier type de conductivité du substrat de sorte qu'on ne modifie pas le type de conductivité de la région de canal 6. Ainsi, dans le cas représenté à la figure 2, où les secondes poches sont constituées par 3 poches élémentaires, les longueurs et concentrations en dopant des poches élémentaires satisfont les relations Lp Nn2 > Nn3, et Nnl + Nn2 + Nn3 On a représenté figure 3, des graphes simulés de tension de seuil Vth pour des transistors comportant une couche d'oxyde de grille de 4nm d'épaisseur et pour une tension drain/source de 1,5 volt en fonction de la longueur effective de canal. Les longueurs Lp et les concentrations Np des premières poches dopées avec un dopant de même type que le substrat correspondent à la longueur minimale à obtenir pour le canal et pour le dopage le plus élevé. La courbe A correspond à la superposition d'une seule seconde poche selon l'invention et montre que l'on obtient un Vth plat pour une longueur de canal jusqu'à 0,15m. La courbe B correspond à la superposition de deux secondes poches selon l'invention et montre qu'on obtient un Vth plat pour une longueur de canal jusqu'à 0,07jm. Enfin, la courbe C correspond à la superposition de sept secondes poches selon l'invention et montre que l'on peut obtenir un Vth plat pour une longueur de canal jusqu'à 0,025m. Ainsi, les courbes ci-dessus montrent que les dopages nécessaires restent raisonnables et permettent d'obtenir des courbes Vth en fonction de la longueur effective de canal jusqu'à des longueurs effectives de 25nm et ce même avec des épaisseurs d'oxyde de grille de 4nm. REVENDICATIONS 1. Dispositif semi-conducteur comprenant un substrat semi conducteur (1) ayant une concentration Ns prédéterminée en un dopant d'un premier type de conductivité, des régions de source (2) et de drain (3) dopées avec un dopant d'un second type de conductivité opposé au premier et définissant dans le substrat des jonctions (4, 5) délimitant une région de canal (6) de longueur nominale LN prédéterminée et une première poche (7, 8) adjacente dans la région de canal (6) à chacune des jonctions (4, 5) et ayant une longueur Lp prédéterminée, lesdites premières poches (7, 8) étant dopées avec un dopant du premier type de conductivité de concentration Np augmentant localement la concentration nette du substrat au-dèlà de Ns, caractérisé en ce qu'il comprend dans la région de canal (6), au moins une seconde poche (9, 10) adjacente à chacune des jonctions (4, 5) et superposée à chacune des premières poches (7, 8), lesdites secondes poches (9, 10) ayant une longueur Ln telle que Ln > Lp et étant dopées avec un dopant du second type de conductivité à une concentration Nn telle que Nn Lp Lni_ 1 Nni > Nni+l, et la somme E1ni des concentrations en dopant du second type de conductivité des poches élémentaires de la pluralité satisfaisant la relation INni Lp et une concentration Nn en dopant du premier type telle que Nn Nni > Nni+l, et la somme INni des concentrations en dopant du second type de conductivité de la pluralité de poches élémentaires satisfaisant la relation INnl