Brevet FR3037718A1 — publié le 20161223

Dispositif électronique de chauffage d'une structure intégrée, par exemple un transistor MOS Des modes de réalisation de l'invention concernent les circuits intégrés et notamment le chauffage d'une zone active d'une ou de plusieurs structures intégrées, en particulier un ou plusieurs transistors, par exemple des transistors MOS. Dans certaines applications, il peut être particulièrement intéressant de chauffer la zone active d'un transistor MOS, en particulier lorsque celui-ci se situe dans un environnement froid ou bien pour améliorer ses performances dans des applications très basse tension. Actuellement, des systèmes de chauffage compliqués sont utilisés pour augmenter la température ambiante du transistor, en particulier lorsque celui-ci se situe dans un environnement froid. Selon un mode de réalisation, il est proposé un dispositif électronique d'architecture simple, permettant de chauffer facilement une structure intégrée, par exemple un transistor MOS, sans modifier la ou les zones actives de la structure, par exemple la zone active du transistor, ni la fonctionnalité du circuit intégré qui incorpore cette structure. Selon un aspect, il est proposé un dispositif électronique, comprenant un circuit intégré comportant au moins une structure intégrée, par exemple un transistor MOS, et des moyens de chauffage électriquement couplés à au moins deux endroits d'une zone active de ladite au moins une structure, par exemple à au moins deux endroits de l'une des régions semiconductrices de source ou de drain dudit au moins un transistor, et configurés pour faire circuler au moins un courant entre lesdits endroits. En d'autres termes, selon cet aspect, on utilise la zone active de ladite structure, par exemple la région de source ou la région de drain du transistor MOS, comme chaufferette en y faisant circuler un 3037718 2 courant, par exemple par application d'une différence de potentiel entre lesdits deux endroits. La circulation de ce courant va, par effet Joule, augmenter la température de la zone active entre lesdits endroits et cette chaleur va 5 alors se propager dans la zone active. Lorsque la structure intégrée est un transistor MOS, la circulation de ce courant va, par effet Joule, augmenter la température de la région de source ou de drain et cette chaleur va alors se propager via le canal du transistor à l'ensemble de la zone active de ce 10 transistor. Ainsi, la région de source ou la région de drain devient elle-même un dispositif de chauffage. De façon à avoir une efficacité plus importante, il est préférable que lesdits endroits soient situés sur une droite s'étendant 15 sensiblement dans le sens de la largeur du canal dudit au moins un transistor. Lorsque le nombre desdits endroits est égal à deux, il est préférable que les deux endroits soient respectivement situés au voisinage de deux extrémités de la zone active, par exemple la région 20 de source ou de drain. De façon à limiter le risque d'apparition du phénomène d'électro-migration, on peut faire circuler entre les deux endroits successivement un courant dans un sens et un courant dans l'autre sens. 25 Cette limitation du risque d' apparition du phénomène d'électro-migration peut également être obtenue en prévoyant un nombre d'endroits égal à trois, avec un premier endroit encadré par deux deuxièmes endroits ; les moyens de chauffage sont alors configurés pour faire circuler deux courants entre respectivement le 30 premier endroit et les deux deuxièmes endroits. A cet égard, il est préférable que les deux deuxièmes endroits soient respectivement situés au voisinage de deux extrémités de la zone active, par exemple la région de source ou de drain et que le 3037718 3 premier endroit soit situé sensiblement à égale distance des deux deuxièmes endroits. Selon un mode de réalisation, les moyens de chauffage comprennent des contacts électriquement conducteurs, par exemple du 5 type de ceux reliant les zones actives d'un composant au premier niveau de métallisation du circuit intégré, respectivement électriquement couplés auxdits endroits et au moins une source de courant configurée pour injecter au moins un courant en un desdits endroits par l'intermédiaire du contact correspondant, le ou les 10 courants résultant(s) s'évacuant à un autre ou aux autres endroits par l'intermédiaire du ou des contacts électriquement conducteurs correspondants. Par équivalence, on peut utiliser à la place d'une source de courant, un générateur de tension apte à appliquer une différence de 15 potentiel entre lesdits endroits. Bien qu'il soit possible d'injecter un courant dans la région de source ou dans la région de drain du transistor MOS, il est préférable d'injecter le courant dans la région de source car celle-ci est déjà habituellement destinée à être reliée à la masse dans le circuit intégré. 20 Ainsi, le contact ou les contacts par lesquels s'évacuent chacun des courants est ou sont reliés avantageusement à une ligne de masse du circuit intégré. Il a été observé qu'il était plus efficace de chauffer la structure intégrée, par exemple le transistor MOS, en utilisant des impulsions de 25 courant plutôt qu'un courant circulant de façon continue. Ainsi, selon un mode de réalisation, les moyens de chauffage sont configurés pour faire circuler ledit au moins un courant sous la forme d'au moins une impulsion de courant. Il est possible de chauffer la structure lorsque celle-ci est en 30 fonctionnement au risque d'obtenir un fonctionnement dégradé, mais éventuellement acceptable. Ainsi, lorsque la structure est un transistor MOS cela conduit à appliquer une différence de potentiel entre deux points différents de la source ou du drain du transistor, ce qui peut conduire alors à un 3037718 4 fonctionnement dégradé du transistor mais qui peut être toutefois acceptable dans certaines applications. Cela étant, il est préférable, dans d'autres applications, que les moyens de chauffage soient commandables et que le dispositif 5 comprenne en outre des moyens de commande aptes à activer les moyens de chauffage lorsque la structure n'est pas en fonctionnement. En d'autres termes, selon ce mode de réalisation, on procède tout d'abord au « réchauffement » de la structure, par exemple le transistor, puis, après avoir désactivé les moyens de chauffage et de 10 préférence laissé passer un certain intervalle de temps de façon à obtenir une homogénéisation de la température dans la zone active de la structure, on peut alimenter la structure, par exemple le transistor, de façon à la placer dans son mode de fonctionnement normal. Selon un mode de réalisation, les moyens de chauffage peuvent 15 être configurés pour faire circuler au moins un courant dans plusieurs structures, par exemple des transistors, du circuit intégré par l'intermédiaire de lignes métalliques s'étendant au-dessus des structures. Ces lignes métalliques peuvent alors contribuer également au réchauffement de ces structures. 20 Les moyens de chauffage peuvent être distincts du circuit intégré ou bien appartenir au circuit intégré. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : 25 - les figures 1 à 6 illustrent différents modes de réalisation de l' invention. Sur la figure 1, la référence DIS désigne un dispositif électronique totalement intégré au sein d'un circuit intégré IC. Ce dispositif électronique comporte ici une structure intégrée, 30 en particulier un transistor TRN, par exemple un transistor NMOS. Le transistor TRN comporte classiquement une région semiconductrice de source S, une région semiconductrice de drain D et une région de grille G. La zone active du transistor TRN est isolée ici 3037718 5 des autres composants du circuit intégré par une région isolante RIS, par exemple du type tranchée peu profonde. Le dispositif DIS comporte également des moyens de chauffage électriquement couplés ici à deux endroits ED1, ED2 de la région 5 semiconductrice de source du transistor TRN et configurés pour faire circuler ici un courant I entre les endroits ED1 et ED2. Plus précisément, dans ce mode de réalisation, les moyens de chauffage comportent une source de courant SC connectée d'une part à la masse GND et d' autre part au premier endroit ED 1 par 10 l'intermédiaire par exemple d'un contact électriquement conducteur CTO, d'une métallisation MTL1 située au premier niveau de métallisation du circuit intégré et d'un contact CT1 électriquement couplé à la zone siliciurée (c'est-à-dire la zone comportant un siliciure de métal) de la région de source S au niveau de l'endroit ED1. 15 Les moyens de chauffage comportent également un autre contact CT2 électriquement couplé au niveau de l'endroit ED2 à la zone siliciurée de la région de source S et relié à la masse GND par l'intermédiaire d'une autre métallisation MTL2. Afin d' augmenter l'efficacité de chauffage on pourra 20 avantageusement disposer entre les endroits ED1 et ED2 une zone non siliciurée afin d'augmenter la valeur de la résistance RS Dans cet exemple de réalisation, la source de courant SC délivre un courant I qui circule dans la région semiconductrice de source RS entre les deux endroits ED1 et ED2 pour ressortir au niveau 25 de l'endroit ED2. Dans l'exemple décrit ici, les deux endroits ED1 et ED2 sont situés respectivement au voisinage de deux extrémités de la région semiconductrice de source et la droite qui les relie s'étend sensiblement parallèlement à la largeur W du canal du transistor TRN. 30 Sur cette figure 1, la référence RS matérialise la résistance de la région semiconductrice de source. La circulation du courant I provoque, par effet Joule, une augmentation de la température de la région de source S et cette chaleur se propage selon les flèches F à l'ensemble de la zone active 3037718 6 du transistor TRN via sa région de canal pour atteindre notamment la région semiconductrice de drain D. Sur la figure 2, on a représenté un schéma électrique correspondant à la figure 1. 5 Plus précisément, on retrouve sur la figure 2, la région de source S matérialisée par la résistance RS dont la borne ED2 est connectée à la ligne de masse GND et dont la borne ED1 est connectée à la ligne de masse GND par l'intermédiaire de la source de courant SC. 10 On notera également dans cet exemple que la source de courant SC est activable par l'intermédiaire d'un interrupteur SW commandé par un signal de commande SCTRL. En d'autres termes, la source de courant peut être activée ou désactivée. 15 Dans cet exemple de réalisation, le drain D du transistor TRN est relié à la tension d'alimentation Vdd par l'intermédiaire d'une résistance R1 et le circuit intégré IC comporte également une autre partie 1 connectée à la grille G du transistor et une autre partie de circuit 2 connectée au drain du transistor TRN. 20 On voit donc ici que la fonctionnalité du circuit intégré IC et notamment la fonctionnalité du transistor TRN ne sont en aucune manière modifiées par l'adjonction de la source de courant activable SC. La topologie du circuit intégré IC n'est simplement que 25 légèrement modifiée par l'adjonction de la source de courant SC interne au circuit intégré IC. Et, ceci est particulièrement simple à réaliser lorsque le transistor MOS est un transistor NMOS puisque la source d'un transistor NMOS est habituellement reliée à la masse en 30 fonctionnement normal. La source de courant pourrait être également externe au circuit intégré. Lorsque l'on souhaite augmenter la température de la zone active du transistor TRN, on ferme l'interrupteur SW et la source de 3037718 7 courant SC délivre le courant I qui circule dans la région semiconductrice de source S pour s'évacuer vers la masse GND. Après une durée de chauffage, qui peut être variable selon l'environnement du transistor, on désactive la source de courant SC en 5 ouvrant le transistor SW. Puis, on laisse de préférence la température de la zone active du transistor s'homogénéiser avant d'autoriser son fonctionnement normal au sein du circuit intégré IC. Il serait possible, d'autoriser le fonctionnement du transistor TRN simultanément au chauffage de celui-ci. Cependant, dans ce cas, 10 cela peut conduire à un fonctionnement dégradé du transistor TRN en raison de la présence de deux potentiels différents aux deux extrémités de la région de source S. Cela étant, un tel fonctionnement dégradé peut être acceptable dans certaines applications. Alors qu'il est possible de faire circuler en continu un courant 15 I dans la région semiconductrice de source de façon à augmenter la température de la zone active du transistor, il a été observé que l'on obtenait une augmentation plus efficace de la température en faisant circuler des impulsions de courant, préférentiellement courtes, par exemple de l'ordre de quelques microsecondes, ce qui permet de 20 limiter le risque d'apparition du phénomène d'électro-migration. Aussi, on peut prévoir, comme illustré sur la figure 3, un exemple de source de courant SC délivrant un train d'impulsion de courant I. Plus précisément, dans cet exemple de réalisation, un transistor 25 MOS 4 est commandé sur sa grille par un oscillateur OSC de façon à délivrer, à partir d'un générateur de tension 3 les impulsions de courant I au rythme de la fermeture et de l'ouverture du transistor 4. En variante, comme illustré schématiquement sur la figure 4, il est possible de prévoir que les moyens de chauffage soient couplés à la 30 région semiconductrice de source, non pas en deux endroits mais en trois endroits, EDI, ED2, ED3. Et, dans cet exemple, le premier endroit ED1 est situé sensiblement à égale distance des deux autres endroits ED2 et ED3 qui 3037718 8 sont respectivement situés aux deux extrémités semiconductrices de source S. Les trois endroits EDI, ED2, ED3 sont ici sensiblement alignés le long d'une droite DR qui s'étend parallèlement à la largeur W du 5 canal du transistor TRN. La source de courant SC injecte alors le courant I au niveau du premier endroit ED1 et celui-ci se sépare alors en deux courants sensiblement égaux 1/2 qui s'évacuent respectivement au niveau des deux endroits d'extrémités ED2 et ED3 vers la masse GND. 10 Un tel mode de réalisation permet également de limiter le risque d'apparition du phénomène d'électro-migration. Bien entendu, il est possible, comme illustré sur la figure 5, de faire circuler au moins un courant dans plusieurs transistors du circuit intégré IC. 15 Sur la figure 5, les blocs CEL1 CEL2 CEL3 représentent des cellules du circuit intégré comportant plusieurs composants dont au moins un transistor NMOS doit être réchauffé. Le dispositif DIS comporte également, intégré dans le circuit intégré IC, une unité de gestion de température MU comportant la 20 source de courant SC, les moyens de commande MC délivrant le signal de commande SCTRL et un capteur de température CPT. Une première métallisation MTL1 parcourt le circuit intégré au-dessus des cellules CEL1-CEL3 pour être respectivement couplée par des contacts correspondants au premier endroit ED1 des trois 25 transistors NMOS des trois cellules CEL1-CEL3. De même, une deuxième métallisation MTL2 circule dans le circuit intégré IC au-dessus des cellules CEL1-CEL3 pour être électriquement couplée respectivement aux trois endroits ED2 des régions de source de ces trois transistors. 30 Une troisième métallisation MTL3 permet de véhiculer la tension d'alimentation Vdd du circuit intégré IC en fonctionnement normal. Ainsi, lorsqu'on souhaite réchauffer les transistors NMOS de ces cellules CEL1-CEL3, la cellule SC délivre sur la métallisation 3037718 9 MTL1 un courant I. Des courants résultants sont alors injectés aux endroits ED1 des trois transistors NMOS et ressortent au niveau de la métallisation MTL2. On notera ici que ces métallisations contribuent au 5 réchauffement de ces transistors de par la circulation des courants en leur sein. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits mais en embrasse toutes les variantes. Ainsi, comme illustré sur la figure 6, il est également possible 10 de chauffer la région semiconductrice de source S d'un transistor PMOS TRP. Plus précisément, la source de courant SC est connectée au premier endroit ED1 de la région de source S par l'intermédiaire de l'interrupteur SW commandé par le signal SCTRL et le deuxième 15 endroit ED2 de la région de source est connecté soit à la masse GND soit à la tension d'alimentation Vdd par l'intermédiaire d'un autre interrupteur SW1 également commandé par le signal de commande SCTRL. D' autres parties de circuit intégré 4 et 5 sont reliés 20 respectivement à la grille G et au drain D du transistor TRP. Lorsque l'on souhaite procéder au chauffage du transistor TRP, celui-ci n'étant pas en fonctionnement normal, le signal SCTRL place le commutateur SW dans sa position fermée et commute le commutateur SW1 de façon à ce que le deuxième endroit ED2 soit 25 relié à la masse GND. Dans ce cas, un courant I peut circuler dans la région semiconductrice de source par analogie à ce qui a été décrit ci-avant. Une fois le chauffage terminé et la température homogénéisée, on peut alors placer le transistor TRP dans son mode de 30 fonctionnement normal en ouvrant le commutateur SW et en commutant le commutateur SW1 de façon à ce que cette fois-ci le deuxième endroit ED2 soit relié à la tension d'alimentation Vdd ce qui est habituellement le cas pour un transistor PMOS. 3037718 10 En variante on pourrait prévoir un montage symétrique de celui illustré sur la figure 2 avec le noeud ED2 de la région de source du transistor PMOS reliée à la ligne destinée à véhiculer la tension Vdd en fonctionnement normal. Dans ce cas lors du chauffage avec le 5 transistor non en fonctionnement, cette ligne serait reliée à la masse GND. Bien entendu, alors qu'on a décrit ci-avant l'utilisation d'une source de courant SC, l'utilisation d'un générateur de tension qui appliquerait une différence de potentiel entre les différents endroits de 10 la région semiconductrice de source, ou de drain serait également envisageable. On pourrait également prévoir d'utiliser deux sources de courants tête-bêche ou bien une source de courant bidirectionnelle ou par équivalence, un ou des générateurs de tensions, dans le cas ou l'on 15 souhaite faire circuler successivement deux courants en sens opposés entre les deux endroits ED1 et ED2 de façon à limiter le risque d'apparition du phénomène d'électro-migration. Alors qu'on a décrit ci-avant un chauffage de la région de source, il serait également possible d'utiliser les mêmes moyens pour 20 effectuer le chauffage de la région de drain du transistor MOS, que ce soit un transistor NMOS ou un transistor PMOS, pour autant de prévoir au sein du circuit intégré, s'il n'existe pas déjà, un chemin vers la masse pour l'évacuation du courant circulant dans le drain du transistor lors du chauffage. 25 Bien que les modes de réalisation décrits ci-avant aient été axés sur des transistors MOS, il serait possible d'appliquer ce principe de chauffage à toute zone active de toute structure intégrée, comme par exemple un transistor bipolaire, une jonction PN, un thyristor,.... Enfin l'invention s'applique quel que soit le type de substrat 30 utilisé pour la structure intégrée, que ce soit par exemple un substrat massif (« bulk ») ou un substrat de type silicium sur isolant (SOI : « Silicon On Insulator ») et plus particulièrement de type silicium totalement déserté sur isolant (FDSOI : « Fully Depleted Silicon On Insulator »). REVENDICATIONS1. Dispositif électronique, comprenant un circuit intégré (IC) comportant au moins une structure intégrée (TRN), et des moyens de chauffage (SC) électriquement couplés à au moins deux endroits (EDI, ED2) d'une zone active (S) de ladite au moins une structure intégrée et configurés pour faire circuler au moins un courant (I) entre lesdits endroits. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une structure intégrée est au moins un transistor MOS (TRN) et ladite zone active est l'une des régions semiconductrices de source (S) ou de drain (D) dudit au moins un transistor. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le transistor (TRN) est un transistor NMOS. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel lesdits endroits (ED1, ED2) sont situés sur une droite s'étendant sensiblement dans le sens de la largeur (W) du canal dudit au moins un transistor. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel les endroits (ED1, ED2) sont situés au sein de la région semiconductrice de source (S). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le nombre desdits endroits est égal à deux, et les deux endroits (ED1, ED2) sont respectivement situés au voisinage de deux extrémités de la zone active. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le nombre desdits endroits est égal à trois, un premier endroit (ED1) étant encadré par deux deuxièmes endroits (ED2, ED3), et les moyens de chauffage (SC) sont configurés pour faire circuler deux courants (1/2, 1/2) entre respectivement le premier endroit (ED1) et les deux deuxièmes endroits (ED2, ED3). 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les deux deuxièmes endroits (ED2, ED3) sont respectivement situés au voisinage de deux extrémités de la zone active et le premier endroit 3037718 12 (ED1) est situé sensiblement à égale distance des deux deuxièmes endroits (ED2, ED3). 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de chauffage comprennent des contacts 5 électriquement conducteurs (CT1, CT2) respectivement électriquement couplés auxdits endroits (ED1, ED2) et au moins une source de courant (SC) configurée pour injecter au moins un courant (I) en un desdits endroits par l'intermédiaire du contact correspondant, le ou les courants résultants s'évacuant à un autre ou aux autres endroits par 10 l'intermédiaire du ou des contacts électriquement conducteurs correspondants. 10. Dispositif selon les revendications 5 et 9, dans lequel le ou les contacts par lequel ou par lesquels s'évacue chacun courant est ou sont reliés à une ligne de masse (GND) du circuit intégré. 15 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de chauffage (SC) sont configurés pour faire circuler ledit au moins un courant sous la forme d'au moins une impulsion de courant. 12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans 20 lequel les moyens de chauffage (SC) sont commandables et le dispositif comprend en outre des moyens de commande (MC) aptes à activer les moyens de chauffage lorsque la structure intégrée n'est pas en fonctionnement. 13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans 25 lequel les moyens de chauffage (SC) sont configurés pour faire circuler au moins un courant dans respectivement plusieurs structures intégrées par l'intermédiaire de lignes métalliques (MTL1, MTL2) s'étendant au-dessus desdites structures. 14. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans 30 lequel les moyens de chauffage (SC) appartiennent au circuit intégré (IC).