FR2534417A1

FR2534417A1 - Transistor a effet de champ et inverseur realise avec des transistors de ce type

Info

Publication number: FR2534417A1
Application number: FR8316117A
Authority: FR
Inventors: John Charles White
Original assignee: UK Government
Current assignee: UK Government
Priority date: 1982-10-12
Filing date: 1983-10-11
Publication date: 1984-04-13
Also published as: JPS5990960A; GB8327060D0; GB2129216A; GB2129216B; DE3337123A1; CA1218471A

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP ET UN INVERSEUR CONSTITUE PAR DE TELS TRANSISTORS. DANS CE TRANSISTOR FORME SUR UN SUBSTRAT 3 COMPORTANT UNE REGION DE SOURCE ET UNE REGION DE DRAIN 5, 7, DES CONTACTS D'ELECTRODES 15, 17 ET UNE ELECTRODE DE GRILLE 19 DISPOSEE DANS UNE GORGE 9 DU SUBSTRAT, LES DIMENSIONS GEOMETRIQUES-PROFONDEUR DE LA GORGE 9 ET LONGUEUR DU CANAL L ENTRE LA SOURCE ET LE DRAIN 5,7 ET LA CONCENTRATION DU PRODUIT DOPANT DANS LE SUBSTRAT 3 SONT TELLES QUE, LORS DE L'APPLICATION D'UNE POLARISATION AU SUBSTRAT, LE DISPOSITIF PRESENTE UNE CARACTERISTIQUE DE VARIATION DE LA TENSION DE SEUIL QUI DIMINUE LORSQUE LA POLARISATION AUGMENTE. APPLICATION NOTAMMENT AUX CIRCUITS INVERSEURS A TRANSISTORS MOSFET.

Description

L'invention concerne les transistors à effet de champ (FET), c'est-à-dire

des transistors du type formé par un substrat constitué en un matériau semiconducteur et contenant des régions dopées définissant une source et un drain, des contacts d'électrode pour les régions de source

et de drain et, entre ces dernières, une électrode de gril-

le commandant l'écoulement de -la charae entre la source et

le drain, et un inverseur formé de tels transistors.

De tels transistors consomment très peu d'éner-

gie et sont largement utilisés en tant que composants logi-

ques et également comme autres composants de base dans des

circuits intégrés.

Un transistor à effet de champ classique est

représenté sur la figure 1 des dessins annexés Il est cons-

titué par un substrat en silicium de type p dans lequel sont définies des régions dopées du type p, à savoir la source et le drain Une électrode de grille métallique isolée est

disposée au-dessus de la surface du substrat entre les élec-

trodes qui contactent la source et le drain Dans ce dispo-

sitif, une région d'appauvrissement chargéeinterne est si-

tuée au-dessous de chacune des régions dopées de source et de drain La région d'appauvrissement s'étend dans chaque

cas au-dessous de la grille Lorsque la polarisation conve-

nable de fonctionnement est appliquée à la grille, une ré-

gion d'appauvrissement de charge de grille est induite au-

dessous de l'ensemble de la grille Si cette polarisation est suffisamment importante, une couche d'inversion est

créée au-dessous de la grille, ce qui forme un canal con-

ducteur entre la source et le drain La tension appliquée à la grille au début de l'inversion, c'est-à-dire au début de la conduction, est désignée sous le terme de tension de seuil La tension de seuil dépend de l'étendue de la région d'appauvrissement de grille et de la valeur de la charge

qui s'y trouve induite En général, comme cela est représen-

té sur la figure 1, l'étendue de la région d'appauvrissement de grille est également influencée par la source et le drain,

en particulier dans des dispositifs possédant de faibles di-

mensions géométriques Plus les profondeurs des jonctions de la source et du drain sont faibles, plus l'influence de la source et du drain sur la tension de seuil est faible En

présence d'une tension de polarisation de substrat, c'est-à-

dire la tension appliquée sur la source/le drain et le sub-

strat, d'une valeur relativement importante, il existe une valeur inférieure du pourcentage de charge qui peut être

commandé par la grille Une fois que cette limite a été at-

teinte, un accroissement supplémentaire de la polarisation du substrat n'affecte pas de façon importante la tension de seuil Jusqu'à cette limite, la valeur de la tension de seuil augmente régulièrement en fonction de la polarisation

du substrat.

Afin de former un circuit inverseur en utili-

sant des transistors à effet de champ classiques,c'est-à-di-

re un circuit qui peut fonctionner avec une seule alimenta-

tion en énergie, il est usuel de combiner différents types de transistors par exemple des transistors à canal N avec des transistors à canal P ou du type à enrichissement et

avec des dispositifs du type à appauvrissement Sur la fi-

gure 2 des dessins annexés, on a représenté un exemple d'un

tel circuit, qui est un circuit classique à transistors com-

plémentairesà effet de champ du type métal-oxyde-semiconduc-

teur (CMOS) Le problème des inverseurs classiques réside dans l'exigence d'avoir deux types de transistors, et ceci

implique plusieurs phases opératoires complexes de traite-

ment.

On connaît également les transistors à effet de champ à grille disposée dans une gorge, c'est-à-dire des transistors dans lesquels l'électrode de grille isolée est disposée dans le fond d'une gorge ménagée dans le substrat semiconducteur entre les régions dopées de source et de drain Un exemple particulier de ce type de structure de

transistor, comportant une gorge à parois très pentues, à sa-

voir un transistor à effet de champ à grille étagée, est décrit dans la demande de brevet britannique N O 2 103 013 Comme cela se trouve décrit dans ce document,

un tel dispositif peut être réalisé en utilisant un procé-

dé incluant les phases opératoires suivantes: réaliser un

substrat constitué en un matériau semiconducteur monocris-

tallin; former une région dopée en excès dans le matériau semiconducteur de manière à former les régions de source et de drain; former entre les régions de source et de drain, dans une position directement adjacente à ces régions, une gorge à parois pentues s'étendant en profondeur au moins jusqu'à l'interface entre le matériau à dopage excessif et

le matériau sous-jacent du substrat; former une couche iso-

lante sur la surface de cette gorge et sur le matériau à do-

page excessif, une fenêtre étant ménagée dans la couche iso-

lante de manière à mettre à nu les régions de source et de drain constituées par le matériau à dopage excessif; déposer le matériau conducteur de manière à recouvrir simultanément

les régions à nu de source et de drain et la base de la gor-

ge, à l'exclusion des parois latérales pentues de cette der-

nière; et réaliser un recuit de l'ensemble pour consolider* les jonctions de contact entre le matériau conducteur et lé

matériau à dopage excessif Ce dispositif peut être par exem-

ple fabriqué dans un matériau semiconducteur du type p et,

à cette fin, on choisit la face supérieure du substrat ali-

gnée avec le plan d'orientation cristalline ( 110) On forme la gorge à parois très pentues par corrosion en utilisant un produit corrosif agissant en fonction de l'orientation,

les limites de la gorge étant situées dans le plan d'orien-

tation cristalline ( 111) Un produit corrosif approprié est une solution d'éthylène diamine pyrocatéchol catalysée à

la diazine-eau.

On a trouvé que pour les transistors à effet

de champ à grille étagée cela s'applique éqalement à d'au-

tres transistors à effet de champ à grille disposée en creux que moyennant un choix approprié des dimensions géométriques

et de la concentration de dopage du substrat, on peut ré-

duire la tension de seuil lorsque la polarisation du substrat augmente. Il est possible d'exploiter avantageusement de telles nouvellespropriétés dans la structure de composants logiques On peut obtenir un avantage particulier en adoptant

de tels dispositifs par couples dans la conception des cir-

cuits inverseurs De telscircuits peuvent être réalisés avec des circuits identiques possédant chacun nominalement la même caractéristique de tension de seuil, et un inverseur peut être fabriqué avec un nombre minimum de phases opératoires

de traitement.

Conformément à l'invention, il est prévu un transistor à effet de champ, qui est formé sur un substrat en un matériau semiconducteur contenant des régions dopées

définissant une source et un drain, des contacts d'électro-

des avec les régions de source et de drain et, entre ces régions, à la base d'une gorge ménagée dans le substrat, une électrode de grille servant à commander l'écoulement des charges entre la source et le drain, ce transistor

étant caractérisé par le fait que les dimensions géométri-

ques la profondeur de la gorge et la longueur du canal

entre la source et le drain autour du fond de la gorge -

ainsi que la concentration de dopage dans le matériau du

substrat sont telles que lors de l'application de la pola-

risation du substrat, le transistor possède une caractéris-

tique pour laquelle sa tension de seuil diminue lorsque la

polarisation du substrat augmente.

Il s'est avéré avantageux d'utiliser comme gorge une gorge ayant des parois très pentues Cependant, à titre de variante, on peut utiliser une gorge comportant des parois arrondies, ou bien la gorge peut posséder une

structure étagée dissymétrique.

En outre, conformément à la présente invention, il est prévu un inverseur constitué de deux transistors à effet de champ raccordés en série au moyen d'un contact commun s'étendant entre l'électrode de source ou de drain d'un transistor et l'électrode de source ou-de drain de l'autre transistor, cet inverseur étant caractérisé par le fait que les deux transistors, munis tous les deux d'une gorge, possèdent les mêmes caractéristiques de tension de seuil ainsi que les mêmes dimensions géométriques et les mêmes concentrations de dopage, de sorte que pour ces caractéristiques la tension de seuil est une fonction

décroissante de la polarisation du substrat.

La description qui va suivre en regard des

dessins annexés, à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre comment l'invention peut

être mise en pratique.

La figure 1, dont il a déjà été fait-mention, est une vue en coupe transversale montrant un transistor

à effet de champ de structure classique.

La figure 2, dont il a déjà été fait mention, représente un schéma montrant le circuit de l'inverseur

CMOS classique.

La figure 3 est une vue en coupe transversale montrant la structure d'un transistor à effet de champ

à grille étagée.

Les figures 4 et 5 sont des graphiques montrant des courbes caractéristiques de la variation de la tension de seuil en fonction de la polarisation du substrat pour un transistor à effet de champ classique, pour un transistor à effet de champ à grille étagée et pour un autre transistor à effet de champ à grille logée dans-une gorge. La figure 6 est une vue en coupe transversale montrant la structure d'un autre transistor à effet de

champ à grille logée dans une gorge.

La figure 7 est une coupe transversale montrant la structure d'un transistor à effet de champ à grille étagée dissymétrique. La figure 8 est un schéma d'un inverseur à

grille étagée.

Le transistor à effet de champ métal-oxyde-

semiconducteur à grille étagée 1 représenté sur la figure 3 est constitué par un substrat 3 formé par du silicium semiconducteur de type p, dans lequel ont été formées deux régions dopées de type N 5 et 7, à savoir respectivement la région de source et la région de drain Une gorge 9 a été ménagée par attaque chimique sélective dans le substrat 3 et possède des parois 11 et 13 pentues Il est prévu des contacts formant électrodes métalliques pour la source et

le drain, à savoir les électrodes 15 et 17, et une électro-

de de grille isolée 19 formée dans le fond de la gorge, en étant séparée du substrat 3 par une couche de matériau isolant,à savoir de l'oxyde de silicium 21 Il en résulte la

formation de régions d'appauvrissement de charce 25 et 27.

Ces dernières sont situées respectivement au-dessousdes ré-

gions de source et de drain 5 et 7 Lorsqu'une tension de polarisation est appliquée entre la source 5 et le substrat 3, une charge de grille induite 23 se rassemble au-dessous de la grille 19 Comme on peut le voir sur la figure 3, cette charge s'étend vers l'extérieur à la fois au- dessous

de la source 5 et du drain 7.

On a représenté la longueur L du canal de ce dispositif, à savoir la distance minimum entre la source 5 et le drain 7, mesurée le long des parois latérales 11, 13

et la base de la gorge 9, ainsi que la profondeur R de cet-

te gorge 9, mesurée entre la partie inférieure de la région

de source 5 et le fond de la gorge 9 Les courbes caracté-

ristiques-de variation de la tension de seuil en fonction de la polarisation du substrat ont été calculées sur ce

dispositif 1 et sont représentées sur les figures 4 et 5.

A des fins de comparaison, on a également représenté la courbe caractéristique de variation de la tension de seuil

en fonction de la polarisation pour un transistor métal-

oxyde-semiconducteur standard Sur la figure 4, on peut voir que dans le transistor standard, la tension de seuil augmente de façon régulière lorsque la polarisation du

substrat augmente Sur la figure 4, les paramètres utili-

sés pour le calcul sont les suivants: L = 2 microns R.= 0,5 micron Ni 16 NA= 1 x 10 accepteurs/cm 3 Cox= 3 x 10 F/cmz o NA représente la concentration des accepteurs de dopage du substrat de type p et Cox est la capacité par unité de surface de la couche d'oxyde 21 La courbe caractéristique pour le transistor 1 à grille étagée montre un comportement

décroissant pour la variation de la tension de seuil en fonc-

tion de la polarisation du substrat, pour une tension de po-

larisation possédant une valeur négative supérieure à envi-

ron 6 volts Ce comportement est marginal-et pour ces valeurs des paramètres géométriques L, R, Cox, on peut voir que la

concentration d'accepteurs NA, qui est égale à 1 x 1016 accep-

teurs/cm 3, est une limite supérieure pour le début de ce comportement Sur la figure 5, on voit que la décroissance de la courbe de variation de la tension de seuil en fonction de la polarisation du substrat est plus prononcée Ceci cor-

respond à une concentration d'accepteurs égale à 1 x 1015/cm 3.

Sur la figure 5, on a également représenté la courbe carac-

téristique d'un transistor à effet de champ métal/oxyde/se-

miconducteur à grille inséréedans une gorge et la comparai-

son permet de voir que l'effet est un peu moins prononcé -

entre la courbe relative au dispositif standard et la courbe

relative au dispositif 1 à grille étagée.

Le dispositif, pour lequel la caractéristique

a été calculée, est représenté sur la figure 6 Dans ce dis-

positif, la gorge possède des côtés 11 ' et 13 ' comportant des contours semi-circulaires et ce dispositif est en outre

déterminé par un paramètre qui est la profondeur de la jonc-

tion, c'est-à-dire la profondeur D de la zone diffusée de source 5 Pour la courbe caractéristique représentée sur la

figure 5, la profondeur possède une valeur de 0,05 micron.

Cette courbe caractéristique a été calculée en supposant que les côtés 11 et 13 possèdent un contour semi-circulaire régulier, c'est-à-dire un contour possédant un rayon qui est égal à la somme de la profondeur D la jonction et de

la profondeur Rj de la gorge C'est une approximation rai-

sonnable pour une gorge qui a été formée par attaque chi-

mique humide.

On peut comprendre l'origine de cet effet en considérant que la charge globale 23, qui est commandée par la grille, comparativement à la charge commandée par

les zones diffusées de source et de drain Voir la figure 3.

Lorsqu'on augmente la polarisation du substrat, la partie de la charge 23, qui s'étend au-dessous des régions

de source et de drain 5 et 7, est de plus en plus influen-

cée par la source/le drain Le rapport commandé par la

grille (qui à son tour détermine la tension de seuil) di-

minue et, dans certaines conditions relatives au dopage du substrat, à la longueur du canal et à la profondeur de la gorge, la tension de seuil diminue en réalité lorsque

la polarisation augmente La variation du volume de la char-

ge 23, qui se produit lorsque la polarisation augmente, est représentée par des lignes formées de tirets sur la figure

3 Pour une polarisation élevée du substrat, la charge com-

mandée par la grille est limitée à celle située directement au-dessous de la grille Un autre moyen d'observer cet effet est de considérer le mécanisme comme une réduction commandée

de la lonaueur du canal.

Les formules utilisées pour l'obtention de ces courbes caractéristiques sont les suivantes: Pour le transistor MOS standard: T = VT VF = 2 <F + (Q(Vf)/Co X) dans laquelle: VT est laitension de seuil; VF est la tension de bande plate; VT est la valeur normalisée de la tension de VT et: seuil

Q est la densité de la charge d'appauvrisse-

ment, une fonction de la tension de polari-

sation VF du substrat;

t F est un paramètre dépendant de la concentra-

tion des accepteurs fourni par la relation: NA = k T An F q ni dans laquelle: k est la constante de Boltzmann; T est la température en degrés Kelvin; q est la constante de la charge électronique;

ni est la concentration des porteurs intrinsè-

ques pour le substrat en silicium.

Pour le transistor MOS à grille étagée 1, cet-

te expression est modifiée par un facteur F dépendant de la géométrie et des matériaux: VT = 2 F + F(Rj,L) (Q/Cox) dans laquelle: F(Rj,L) = L L-( 2-tg) R + (); j tg V( 2 R -R 2)/; et

tg+= (W Rj)/ V( 2 Rj -Rj 2).

le paramètre v, qui est la profondeur de la jonction de

l'appauvrissement de source, est une fonction de la densi-

té des accepteurs et de la tension de polarisation v du substrat: a -' (N> AV() A partir de cette formule on peut voir que cet effet dépend de la concentration des accepteurs, de la profondeur de la gorge et de la longueur du canal ainsi que de la constante diélectrique de l'isolant de grille (C Ox est

une mesure de ce dernier paramètre).

On peut réduire fortement la dépendance de la

tension de seuil VT vis-à-vis du drain en adoptant une struc-

ture symétrique Un exemple en est donné sur la figure 7.

Dans cette structure, la région diffusée de drain 7 a été formée à un niveau inférieur à la région diffusée de source 5

et estpratiquement de niveau avec l'électrode de grille 19.

La limite entre la charge de grille 23 et la charge d'appau-

vrissement de drain 27 est presque verticale, et en est très proche si une charge de grille quelconque 23 s'étend

au-dessous du drain 7 La charge de grille 23 est par con-

séquent relativement insensible à des variations de la ten-

sion du drain.

Les transistors décrits ci-dessus peuvent

être accouplés par paires et être utilisés dans la cons-

truction d'un inverseur Cet inverseur 31, tel que repré-

senté sur la figure 8, se compose de deux transistors MOSFET à grille étagée identiques dont l'un est le transistor élévateur 33 et dont l'autre est le transistor abaisseur Ces deux transistors 33 et-35 sont branchés en série; ils possèdent une électrode commune 37 reliant la région de drain d'un transistor à la région de source de l'autre transistor La tension d'entrée est appliquée à la grille

39 du transistor abaisseur 35 et la tension de sortie cor-

respondante est prélevée sur l'électrode commune source-

drain 37 Les deux transistors 33 et 35 sont branchés entre un-rail d'alimentation en énergie placé à la tension V, et la masse E La grille 41 du transistor élévateur 33 peut être rapprochéedu rail d'alimentation en énergie ou à l'électrode commune: Mode 1 ( référence, au rail d'alimentation en énergie): Lorsque la tension de sortie Vout possède une valeur élevée voisine de la tension V du rail, la polarisation du substrat pour le transistor élévateur 33 est

élevée Sur la figure 5, on peut voir que pour une polari-

sation élevée, la tension de seuil est négative Le tran-

sistor élévateur 33 est par conséquent placé fermement à l'état conducteur et la tension de sortie VO est relevée

en étant amenée au niveau de la tension V du rail Inverse-

ment, lorsque Vout est faible, la polarisation du substrat

est faible, mais la tension de seuil est élevée et le tran-

sistor élévateur 33 présente une impédance élevée Z. Ce comportement est semblable à celui trouvé

pour un inverseur du type à enrichissement-appauvrissement.

Mode 2 ( référence à la borne commune):

Lorsque la tension de sortie V Out est éle-

vée,le dispositif se comporte comme décrit précédemment.

Mais lorsque la tension de sortie Vout est faible, la tension de polarisation du substrat est élevée et le transistor élévateur 33 est bloqué Il présente une

impédance très élevée.

Ce comportement est semblable à celui trouvé

pour un inverseur CMOS.

Les inverseurs décrits ci-dessus possèdent

par conséquent un fonctionnement semblable à celui d'in-

verseurs classiques à transistors d'un type mélangé Ce-

pendant, étant donné que les deux transistors sont iden-

tiques, ils peuvent être fabriqués au cours des mêmes pha-

ses opératoires de traitement La fabrication d'un inver-

seur est de ce fait fortement simplifiée.

Claims

REVENDICATIONS

1 Transistor à effet de champ du type cons-

titué par un substrat ( 3) formé en un matériau semiconduc-

teur et comportant des régions dopées définissant une sour-

ce ( 5) et un drain ( 7), des contacts d'électrodes ( 15,17) pour les régions de source et de drain ( 5,7) et, entre ces contacts, une électrode de grille ( 19) disposée dans le

fond d'une gorge ( 9) ménagée dans le substrat ( 3) et ser-

vant à commander l'écoulement de la charge entre la sour-

ce ( 5) et le drain ( 7), caractérisé par le fait que les dimensions géométriques la profondeur de la gorge ( 9) et la longueur du canal (L) entre la source ( 5) et le drain ( 7) autour de la gorge ( 9) ainsi que les concentrations du produit dopant dans le matériau du substrat ( 3) sont toutes telles que lors de l'application de la polarisation

du substrat, le dispositif présente une caractéristique se-

lon laquelle la tension de seuil du transistor diminue lors-

que la polarisation du substrat augmente.

2 Transistor à effet de champ suivant la re-

vendication 1, caractérisé par le fait que les parois ( 11,

13) de la gorge ( 9) sont très pentues.

3 Transistor à effet de champ suivant la re-

vendication 2, caractérisé par le fait que la gorge ( 9) pos-

sède une structure étagée dissymétrique, la zone diffusée de drain ( 7) étant à un niveau inférieur à la zone diffusée de

source ( 5).

4 Transistor à effet de champ suivant la re-

vendication 3, caractérisé par le fait que la zone diffu-

sée de drain ( 7) est au niveau de l'électrode de grille

( 19).

Inverseur constitué par deux transistors à

effet de champ ( 33,35) selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 4, branchés en série au moyen d'un contact commun ( 37) disposé entre l'électrode de source ou de drain d'un transistor ( 33) et l'électrode de source ou de drain de l'autre transistor ( 35), caractérisé en ce que les deux transistors ( 33,35), comportant tous les deux une gorge, possèdent les mêmes courbes caractéristiques de la tension de seuil et possèdent des dimensions géométriques et des

concentrations du produit dopant telles que pour ces carac-

téristiques la tension de seuil est une fonction décrois-

sante de la polarisation du substrat.