Brevet FR2905523A1 — publié le 20080307

Dispositif de type MOSFET partiellement déserté comportant un isolant de grille en deux parties Domaine technique de l'invention L'invention est relative à des dispositifs de type MOSFET partiellement déserté comportant successivement un substrat de base, un isolant enterré, un canal en matériau semi-conducteur, au moins un isolant de grille et une grille, la grille comportant une première zone dopée par un premier type de dopant et au moins une seconde zone dopée par un second type de dopant, le canal en matériau semi-conducteur étant dopé par le second type de dopant. État de la technique Les technologies de type SOI ( silicon on insulator ) présentent de nombreux avantages, par exemple : une bonne tenue aux irradiations, une bonne isolation diélectrique des transistors et des circuits et, ainsi, une absence des effets de type latch-up, c'est-à-dire de flux de courants entre les transistors PMOS et NMOS d'un circuit CMOS, une réduction des effets de canal court, une réduction des capacités parasites des jonctions, conduisant à un fonctionnement des circuit plus rapide et à une réduction des puissances consommées. Les dispositifs de type SOI peuvent être divisés en deux grandes familles : 30 les dispositifs complètement désertés, et les dispositifs partiellement 2905523 2 désertés. Dans les dispositifs partiellement désertés contrôlés par une grille, la zone de charge d'espace n'atteint pas l'isolant enterré. Cependant, de manière générale, les dispositifs partiellement désertés sont 5 limités par les effets de substrat flottant, notamment pour des applications analogiques. Par ailleurs on cherche à améliorer les performances des dispositifs en termes de courants délivrés, de gain de mobilité et de réduction de la 10 consommation des circuits. Les effets de substrat flottant entraînent une augmentation du courant de saturation (effet de type kink )) qui est très pénalisante pour les applications analogiques. Le document US2005/0072975 décrit un dispositif de type MOSFET, 15 partiellement déserté, formé à partir d'un substrat de type SOI ( silicon on insulator ), comportant successivement un substrat de base, un isolant enterré, un canal en matériau semi-conducteur, un isolant de grille et une grille. La grille comporte une première zone dopée par un premier type de dopant et au moins une seconde zone dopée par un second type de dopant. 20 Le canal en matériau semi-conducteur est dopé par le second type de dopant. Les source et drain sont dopés par le premier type de dopant. Une connexion par effet tunnel est, ainsi, formée entre la seconde zone dopée et le canal du transistor, si l'épaisseur de l'isolant de grille est faible, 25 par exemple comprise entre 1 nm et 2,2nm. Ceci permet de modifier la charge et le potentiel de la couche semiconductrice dans laquelle est formé le canal et, ainsi, de réduire la valeur absolue de la tension de seuil du dispositif MOSFET. Cette réduction de la tension de seuil entraîne une augmentation du courant délivré. De plus, la pente en faible inversion, qui traduit le pouvoir de coupure d'un transistor de l'état bloqué à l'état passant, est améliorée en raison d'une variation plus faible de la capacité de déplétion 2905523 3 avec la polarisation appliquée sur la grille. La réduction de la valeur absolue de la tension de seuil entraîne une réduction du champ électrique en régime de saturation au voisinage du drain et une diminution de l'ionisation par impact. Par ailleurs, la mise en oeuvre d'un courant tunnel entre la grille et le canal permet d'obtenir une augmentation de la conductivité à l'état passant, une réduction de l'ionisation par impact et de l'effet de type kink, un gain de mobilité et une réduction des effets de canal court. 10 Par contre, ces avantages sont réduits dans le cas d'utilisation de tensions élevées, notamment pour des applications analogiques. 15 Objet de l'invention Le but de l'invention consiste à réaliser un dispositif de type MOSFET partiellement déserté présentant les avantages d'une grille ayant des première et seconde zones dopées par des dopants opposés, tout en étant 20 approprié aux applications analogiques. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que l'isolant de grille comporte une première partie correspondant à la première zone dopée et une seconde partie correspondant à la seconde zone dopée de la grille, la première partie 25 de l'isolant de grille ayant une résistance tunnel plus élevée que la seconde partie de l'isolant de grille. Selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention, la première partie de l'isolant de grille et la seconde partie de l'isolant de grille ont des 30 épaisseurs égales, les matériaux des première et seconde parties c'e l'isolant de grille étant différents. 5 2905523 4 La première partie de l'isolant de grille a, de préférence, une constante diélectrique moins importante que la seconde partie de l'isolant de grille. Par exemple, la première partie de l'isolant de grille est en oxyde de silicium et la 5 seconde partie en oxyde de Hafnium. Selon un second mode de réalisation particulier de l'invention, la première partie de l'isolant de grille a une épaisseur plus élevée que la seconde partie de l'isolant de grille. Par exemple, la première partie de l'isolant de grille a une épaisseur comprise entre 1,2nm et 7nm, et de préférence entre 2nm et 5nm, et la seconde partie de l'isolant de grille a une épaisseur comprise entre 1 et 2,2nm. 15 Les première et seconde parties de l'isolant de grille peuvent être formées par le même matériau, par exemple, par l'oxyde de silicium, les oxydes carbonés de silicium, les oxydes hydrocarbonés de silicium et les oxydes nitrurés de silicium et de Hafnium. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la première partie de l'isolant de grille a une constante diélectrique plus élevée que la seconde partie de l'isolant de grille. 25 La première partie de l'isolant de grille peut être en un matériau à forte constante diélectrique comme, par exemple, l'oxyde de hafnium, les silicates de hafnium et l'oxyde nitruré de silicium. La seconde partie de l'isolant de grille peut être en un matériau compris dans 30 le groupe comprenant l'oxyde de silicium, les oxydes carbonés de silicium et les oxydes hydrocarbonés de silicium. 10 20 2905523 5 Description sommaire des dessins 5 D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : io les figures 1 à 4 représentent, respectivement en vue de dessus et en coupe selon les axes A-A, B-B et C-C, un mode de réalisation particulier d'un dispositif selon l'invention., la figure 5 représente, en coupe selon l'axe A-A, un autre mode de réalisation particulier d'un dispositif selon l'invention. 15 Description d'un mode préférentiel de l'invention Le dispositif 1 de type MOSFET partiellement déserté, représenté aux figures 20 1 à 4, comporte un canal 2 (voir figure 2) en matériau semi-conducteur disposé sous une grille 3. Des électrodes de source et de drain 4 et 5 sont formées de part et d'autre du canal 2. Comme représenté à la figure 2, le dispositif comporte successivement un 25 substrat de base 6, un isolant enterré 7, le canal en matériau semi-conducteur 2, au moins un isolant de grille 8 et la grille 3. La grille 3 est, par exemple, en poly-silicium. La grille 3 comporte une première zone dopée 3a par un premier type de dopant (par exemple P+) et une seconde zone dopée 3b par un second type de dopant, opposé (par exemple N+). Le canal 2 en 30 matériau semi-conducteur est dopé par le second type de dopant. Ainsi, la seconde zone dopée 3b est dopée par le même type de dopant que le canal 2905523 6 2. Une connexion par effet tunnel est, ainsi, formée entre la seconde zone dopée 3b et le canal 2. Dans l'exemple, le premier type de dopant est P+ et le second type de dopant est N+. Dans un autre exemple, le premier type de dopant peut être N et le second type de dopant est ainsi P. Les électrodes de source et de drain 4 et 5 sont dopées par le premier type de dopant. Les électrodes de source et de drain 4 et 5 et le canal 2 sont, par exemple, formés dans une couche active délimitée latéralement par des éléments isolants 9. 10 L'isolant de grille 8 comporte une première partie 8a correspondant à la première zone dopée 3a et une seconde partie 8b correspondant à la seconde zone dopée 3b de la grille 3. 15 Dans le mode de réalisation particulier représenté aux figures 2 à 4, la première partie 8a de l'isolant de grille 8 a une épaisseur Ea plus élevée que l'épaisseur Eb de la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8. Ainsi, même lors que les matériaux des première (8a) et seconde (8b) parties sont les mêmes, la première partie 8a de l'isolant de grille 8 a une résistance tunnel 20 plus élevée que la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8. Par exemple, la première partie 8a de l'isolant de grille 8 a une épaisseur Ea comprise entre 1, 2nm et 7nm, et de préférence entre 2nm et 5nm, et la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8 a une épaisseur Eb comprise entre 25 1 nm et 2,2nm. Les première et seconde parties 8a et 8b de l'isolant de grille 8 peuvent, par exemple, être formées par le même matériau, par exemple en un matériau compris dans le groupe comprenant l'oxyde de silicium SiO2, les oxydes 30 carbonés de silicium SiOC, les oxydes hydrocarbonés de silicium SiOCH et les oxydes nitrurés de silicium SiON ou de Hafnium HfON. 5 2905523 7 La première partie 8a de l'isolant de grille 8 a, ainsi, une résistance tunnel plus élevée que la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8. Grâce à l'épaisseur Ea plus élevée de la première zone 8a de l'isolant de grille 8, on 5 peut utiliser des tensions plus élevées, notamment pour les applications analogiques, sans provoquer de courants tunnel à travers la première partie 8a de l'isolant de grille, tandis que la jonction tunnel correspondant à la seconde zone dopée 3b de la grille 3 est ajustée par l'épaisseur Eb de la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8 pour favoriser le courant tunnel, o indépendamment de la première partie 8a. L'effet tunnel direct entre la seconde zone dopée 3b de la grille 3 et le canal 2 est favorisé par la réduction de l'épaisseur Eb de la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8, ou par le choix d'un diélectrique de plus faible constante 15 diélectrique ou de hauteur de barrière plus faible, pour la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8, que le diélectrique de la première partie 8a de l'isolant de grille 8. Dans les dispositifs de l'art antérieur, si la tension d'alimentation est élevée, il 20 faut augmenter l'épaisseur du diélectrique pour que celui-ci ne soit pas dégradé mais alors, il n'y a plus de conduction par effet tunnel puisque le diélectrique est trop épais. La première partie 8a de l'isolant de grille 8 peut avoir une constante 25 diélectrique plus élevée que la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8. La première partie 8a de l'isolant de grille 8 peut, par exemple, être en un matériau à forte constante diélectrique (type high K), par exemple en un matériau compris dans le groupe comprenant l'oxyde de hafnium Hf02, les silicates de hafnium HfSiOX (X étant compris entre 1 et 3) et l'oxyde nitruré 30 de silicium SION. La seconde partie 8b de l'isolant de grille 8 peut, par exemple être en un matériau compris dans le groupe comprenant l'oxyde de 2905523 8 silicium SiO2, les oxydes carbonés de silicium SiOC et les oxydes hydrocarbonés de silicium SiOCH. Dans un mode de réalisation préférentiel, la première partie 8a de l'isolant de 5 grille 8 est en SiO2 et a une épaisseur comprise entre 2nm et 3nm, et la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8 est également en SiO.2 et a une épaisseur comprise entre l nm et 1,5nm. Dans un autre mode de réalisation préférentiel, la première partie 8a de 10 l'isolant de grille 8 est en un matériau à forte constante diélectrique et a une épaisseur comprise entre 2nm et 6nm et de préférence de 2,5nm, et la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8 est en SiO2 et a une épaisseur comprise entre 1 nm et 2,2nm et de préférence de 1,5nm. 15 En fonction des tensions d'alimentation utilisées, on peut envisager différents choix pour les matériaux et leurs épaisseurs. Pour une tension d'alimentation des circuits de IV, la première partie 8a de l'isolant de grille 8 peut, par exemple, être en HfO2 avec une épaisseur de 3nm, et la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8 peut être en SiO2 avec une épaisseur de 1,9nrn. 20 Pour une tension d'alimentation des circuits de 1,2V, la première partie 8a de l'isolant de grille 8 peut, par exemple, être en SION avec une épaisseur de 2,7nm, et la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8 peut être en SiO2 avec une épaisseur de 1,9nm. 25 Pour une tension d'alimentation des circuits de 2,5V, la première partie 8a de l'isolant de grille 8 peut, par exemple, être en SiO2 avec une épaisseur de 5nm, et la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8 peut être en SiO2 avec une épaisseur de 2,2nm. Le SiO2 peut contenir une faible quantité d'azote 30 (quelques %) afin d'augmenter la qualité du diélectrique. 2905523 9 Les épaisseurs Ea et Eb et/ou les matériaux de la première (8a) et seconde (8b) partie de l'isolant de grille 8 peuvent, par exemple, être déterminés par l'intermédiaire de simulations ou de calculs théoriques, connus de l'homme de l'art. Des calculs théoriques peuvent, par exemple, être effectués à partir 5 de modèles de conduction par effet tunnel direct ou par effet tunnel de type Fowler-Nordheim. Il est également possible de déterminer les épaisseurs Ea et Eb et/ou les matériaux de la première (8a) et seconde (8b) partie de l'isolant de grille 8 par l'intermédiaire d'essais expérimentaux à base d'assemblages de type condensateur ou transistor, en mesurant des io caractéristiques courant-tension ou capacité-tension. A titre d'exemple, une densité de courant de fuite de 800pA/ m2 est suffisante sous 1 V de tension, pour réguler le potentiel du canal, à partir d'un courant tunnel à travers un oxyde de silicium nitruré d'une épaisseur de 1,9 nm disposé entre une couche de silicium monocristallin de type N et du polysilicium de type N+. Ce 15 courant tunnel est généré par le passage des électrons accumulés dans le polysilicium de type N+ vers la couche de silicium monocristallin de type N. Dans le mode de réalisation particulier représenté à la figure 5, les épaisseurs Ea et Eb sont égales. Dans ce cas, les matériaux des première 20 (8a) et seconde (8b) parties sont différents. Le matériau de la première partie 8a de l'isolant de grille 8 peut, par exemple, présenter une hauteur de barrière plus importante que le matériau de la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8. Lors que les épaisseurs des première et seconde parties sont égales, le matériau de la première partie 8a de l'isolant de grille 8 a, de 25 préférence, une constante diélectrique moins importante que le matériau de la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8. Par exemple, la première partie 8a peut être en oxyde de silicium SiO2 et la seconde partie 8b peut être en un oxyde à forte constante diélectrique, par 30 exemple en HfO2, les deux parties 8a et 8b ayant la même épaisseur, par exemple de 2nm. La conduction par effet tunnel direct de la seconde partie 2905523 10 8b est, dans ce cas, supérieure de plusieurs décades à celle de la première partie 8a. La première partie 8a de l'isolant de grille 8 a donc une résistance tunnel plus élevée que la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8. 5 L'élément commun des différents modes de réalisation est le fait que la première partie 8a et la seconde partie 8b de l'isolant de grille 8 sont distinctes. En effet, elles se distinguent notamment par leur épaisseur et/ou par leur matériau. Le dispositif selon l'invention peut être fabriqué par l'intermédiaire des techniques habituellement utilisées en micro-électronique, 10 comme les dépôts de résines, lithographies et implantations ioniques. Revendications 1. Dispositif (1) de type MOSFET partiellement déserté comportant successivement un substrat de base (6), un isolant enterré (7), un canal (2) en matériau semi-conducteur, au moins un isolant de grille (8) el: une grille (3), la grille (3) comportant une première zone (3a) dopée par un premier type de dopant et au moins une seconde zone (3b) dopée par an second type de dopant, le canal (2) en matériau semi-conducteur étant dopé par le second type de dopant, dispositif caractérisé en ce que l'isolant de grille (8) io comporte une première partie (8a) correspondant à la première zone dopée (3a) et une seconde partie (8b) correspondant à la seconde zone dopée (3b) de la grille (3), la première partie (8a) de l'isolant de grille (8) ayant une résistance tunnel plus élevée que la seconde partie (8b) de l'isolant de grille (8). 15 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie (8a) de l'isolant de grille (8) et la seconde partie (8b) de l'isolant de grille (8) ont des épaisseurs (Ea et Eb) égales, les matériaux des première (8a) et seconde (8b) parties de l'isolant de grille (8) étant différents. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première partie (8a) de l'isolant de grille (8) a une constante diélectrique moins importante que la seconde partie (8b) de l'isolant de grille (8). 25 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première partie (8a) de l'isolant de grille (8) est en oxyde de silicium et la seconde partie (8b) en oxyde de Hafnium. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première 30 partie (8a) de l'isolant de grille (8) a une épaisseur (Ea) plus élevée que la seconde partie (8b) de l'isolant de grille (8). 11 20 2905523 12 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première partie (8a) de l'isolant de grille (8) a une épaisseur (Ea) comprise entre 1,2nm et 7nm et la seconde partie (8b) de l'isolant de grille (8) a une 5 épaisseur (Eb) comprise entre 1 nm et 2,2nm. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première partie (8a) de l'isolant de grille (8) a une épaisseur (Ea) comprise entre 2nm et 5nm. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les première et seconde parties (8a, 8b) de l'isolant de grille (8) sont formées par le même matériau. 15 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les première et seconde parties (8a, 8b) de l'isolant de grille (8) sont en un matériau compris dans le groupe comprenant le l'oxyde de silicium, les oxydes carbonés de silicium et les oxydes hydrocarbonés de silicium. 20 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la première partie (8a) de l'isolant de grille (8) a une constante diélectrique plus élevée que la seconde partie (8b) de l'isolant de grille (8). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la première 25 partie (8a) de l'isolant de grille (8) est en un matériau à forte constante diélectrique. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la première partie (8a) de l'isolant de grille (8) est en un matériau compris dans le groupe 30 comprenant l'oxyde de hafnium, les silicates de hafnium et l'oxyde nitruré de silicium. 2905523 13 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la seconde partie (8b) de l'isolant de grille (8) est en un matériau compris dans le groupe comprenant l'oxyde de silicium, les oxydes carbonés 5 de silicium, les oxydes hydrocarbonés de silicium et les oxydes nitrurés de silicium et de Hafnium.