FR2646289A1 - INTEGRATED CIRCUIT OF THE MOSFET TYPE, PARTICULARLY LOGIC INVERTER - Google Patents
INTEGRATED CIRCUIT OF THE MOSFET TYPE, PARTICULARLY LOGIC INVERTER Download PDFInfo
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Abstract
L'invention concerne un circuit intégré ayant des transistors à effet de champ du type à appauvrissement. Selon l'invention, il comprend un substrat semiconducteur 7 du type p ou n, une région de source 10 formée sur la surface principale du substrat, une région de drain 12 formée à proximité de la région de source, un film d'isolement de porte 16 formé à la position de surface du substrat semiconducteur entre les régions de source et de drain, laquelle n'est pas dopée d'impuretés d'un type de conductivité opposé au substrat et une électrode de porte 17 formée sur le film d'isolement de porte, ayant une fonction de travail plus faible que celle du substrat semiconducteur du type p ou plus forte que celle du substrat semiconducteur du type n. L'invention s'applique notamment aux circuits intégrés.Provided is an integrated circuit having depletion type field effect transistors. According to the invention, it comprises a semiconductor substrate 7 of the p or n type, a source region 10 formed on the main surface of the substrate, a drain region 12 formed close to the source region, an isolation film of gate 16 formed at the surface position of the semiconductor substrate between the source and drain regions, which is not doped with impurities of a conductivity type opposite to the substrate, and a gate electrode 17 formed on the film of gate isolation, having a work function weaker than that of the p-type semiconductor substrate or stronger than that of the n-type semiconductor substrate. The invention applies in particular to integrated circuits.
Description
La présente invention se rapporte à un perfectionnement à un transistor àThe present invention relates to an improvement to a transistor
effet de champ (MOSFET) du type à appauvrissement et en particulier à un inverseur du type à enrichissement/appauvrissement comprenant le transistor à effet de champ ou FET indiqué ci-dessus et un FET du type à enrichissement et un circuit intégré semiconducteur, o ces FET ou inverseurs a depletion type field effect (MOSFET) and in particular an enrichment / depletion type inverter comprising the field effect transistor or FET indicated above and an enrichment type FET and a semiconductor integrated circuit, where FET or inverters
sont intégrés sur un substrat.are integrated on a substrate.
L'augmentation de la vitesse et l'augmentation du degré d'intégration d'un circuit intégré utilisant des MOSFET a progressé, cela étant accompagné de la The increase in speed and the increase in the degree of integration of an integrated circuit using MOSFETs has progressed, this being accompanied by the
diminution de la taille.decrease in size.
Par exemple contrairement au fait que dans une mémoire à accès aléatoire "1M D-RAM", la plus petite longueur de canal est d'environ 1,3 pim, il est possible de réaliser un MOSFET ayant une longueur de canal d'environ 0,1.m. Bien que la vitesse de commutation d'un circuit logique semiconducteur augmente en même temps que la diminution de la taille, on peut dire que sa vitesse de travail est généralement plus lente que celle d'un circuit intégré logique utilisant des transistors bipolaires. Cependant, la vitesse de commutation du MOSFET augmente du fait de l'augmentation de la mobilité et de la vitesse de saturation, si la température de travail est diminuée de la température ambiante (27 C) à la température de l'azote liquide (-196 C). Par ailleurs, on sait que la constante de temps RC dans le câblage est diminuée par la diminution de la résistance du câblage donc la vitesse de travail du circuit intégré utilisant des MOSFET peut être aussi élevée que la vitesse de travail du circuit intégré utilisant des transistors bipolaires. On sait également que, comme la consommation de courant électrique par porte pour un circuit MOSFET est plus petite que celle pour un circuit intégré à transistors bipolaires, le degré d'intégration par pastille est plus important que celui du circuit intégré à transistors bipolaires. Ainsi, il est possible de réaliser un circuit intégré à grande échelle et à haute intégration en attaquant le circuit intégré MOSFET à la température de l'azote liquide. Même si un transistor bipolaire est attaqué à la température de l'azote liquide, sa vitesse de commutation n'est pas accrue à cause du gel de la couche For example, contrary to the fact that in a random access memory "1M D-RAM", the smallest channel length is about 1.3 pim, it is possible to make a MOSFET having a channel length of about 0 , 1.m. Although the switching speed of a semiconductor logic circuit increases with decreasing size, it can be said that its operating speed is generally slower than that of a logic integrated circuit using bipolar transistors. However, the switching speed of the MOSFET increases due to the increase of the mobility and the rate of saturation, if the working temperature is decreased from the ambient temperature (27 C) to the temperature of the liquid nitrogen (- 196 C). Furthermore, it is known that the RC time constant in the wiring is reduced by the decrease in the resistance of the wiring so the working speed of the integrated circuit using MOSFETs can be as high as the working speed of the integrated circuit using transistors. bipolar. It is also known that, since the electric power consumption per door for a MOSFET circuit is smaller than that for an integrated circuit with bipolar transistors, the degree of chip integration is greater than that of the bipolar transistor integrated circuit. Thus, it is possible to achieve a large scale integrated circuit and high integration by attacking the integrated circuit MOSFET at the temperature of liquid nitrogen. Even if a bipolar transistor is attacked at the temperature of the liquid nitrogen, its switching speed is not increased because of the freezing of the layer
de base.basic.
Jusqu'à maintenant, la tension de source pour le MOSFET était déterminée à 5V, afin de maintenir Until now, the source voltage for the MOSFET was determined at 5V, in order to maintain
l'interchangeabilité avec la logique transistor- interchangeability with transistor logic
transistor. Cependant, si la tension de source est maintenue à 5 V, pour un MOSFET ayant une longueur de canal de moins de lm, la force du champ électrique dans l'élément augmente. Ainsi, il est devenu de plus en plus difficile d'assurer une fonction normale et une bonne fiabilité d'un MOSFET à cause de la détérioration des porteurs chauds et de la rupture du drain. En conséquence, pour un MOSFET ayant une longueur de canal plus petite que i ym, on ne peut éviter de diminuer la tension de source pour le circuit intégré. Par exemple, dans le cas d'une longueur de canal de 0, 5 Fm, on estime qu'elle est d'environ 3,3 V dans le cas d'une longueur de transistor. However, if the source voltage is maintained at 5V, for a MOSFET having a channel length of less than 1m, the electric field strength in the element increases. Thus, it has become increasingly difficult to provide normal function and good reliability of a MOSFET due to the deterioration of the hot carriers and the failure of the drain. Accordingly, for a MOSFET having a channel length smaller than i m, one can not avoid lowering the source voltage for the integrated circuit. For example, in the case of a channel length of 0.5 μm, it is estimated that it is about 3.3 V in the case of a length of
canal de 0,1)m, elle est estimée de l'ordre de 1 à 1,5V. channel of 0.1) m, it is estimated of the order of 1 to 1.5V.
Par conséquent, on peut s'attendre à un fonctionnement de MOSFET précis ayant une longueur de canal plus petite que 1 pm à la température de l'azote liquide de -196 C en tant que circuit intégré haute vitesse haute densité ayant à la fois une vitesse aussi élevée que celle du circuit intégré utilisant des transistors bipolaires et haute densité d'intégration du Therefore, accurate MOSFET operation with a channel length smaller than 1 μm at the liquid nitrogen temperature of -196 C can be expected as a high density high speed integrated circuit having both speed as high as that of the integrated circuit using bipolar transistors and high density integration of
circuit intégré à MOSFET.integrated circuit to MOSFET.
Jusqu'à maintenant, on considérait que par exemple, un circuit logique de Josephson fonctionnant à la température de l'hélium liquide (-268,8 C) permettait de réaliser un circuit logique intégré rapide. Cependant, comme un élément logique de Josephson utilisant le phénomène de supraconduction ne fonctionne qu'à proximité de -268,80C et qu'elle ne peut fonctionner à température ambiante, son fonctionnement ne peut être vérifié à température ambiante. Par exemple, dans le cas de la construction d'un ordinateur de grande échelle, il n'est pas possible de changer rapidement des pastilles ou plaques défectueuses et dans le cas de la construction Until now, it was considered that, for example, a Josephson logic circuit operating at the temperature of liquid helium (-268.8 C) made it possible to produce a fast integrated logic circuit. However, since a Josephson logic element using the superconducting phenomenon only operates at -268.80C and can not operate at room temperature, its operation can not be verified at room temperature. For example, in the case of the construction of a large-scale computer, it is not possible to quickly change defective patches or plates and in the case of construction
d'un système, il faut beaucoup de temps et de travail. of a system, it takes a lot of time and work.
Par conséquent, il est pratiquement impossible de construire un système à grande échelle. En conséquence, dans un système dans lequel on tente d'obtenir une haute performance par une basse température de fonctionnement, il est nécessaire que le dispositif ou système puisse être attaqué à la fois à température ambiante et à basse température, bien que sa vitesse soit faible à As a result, it is virtually impossible to build a large-scale system. Accordingly, in a system in which an attempt is made to obtain a high performance by a low operating temperature, it is necessary that the device or system can be driven both at room temperature and at low temperature, although its speed is low to
température ambiante.ambient temperature.
Un circuit intégré à MOSFET de l'art antérieur attaqué à la température de l'azote liquide est construit par un circuit logique du type complémentaire (CMOS) composé de circuits CMOS, parce que leur tension de seuil ne varie pas de manière significative entre la température ambiante et -196 C. Cependant, comme un A prior art MOSFET integrated circuit driven at the temperature of the liquid nitrogen is constructed by a complementary type logic circuit (CMOS) composed of CMOS circuits, because their threshold voltage does not vary significantly between the ambient temperature and -196 C. However, as a
circuit logique de structure enrichissement/appauvris- logical circuit structure enrichment / impoverish-
sement (que l'on appelera ci-après structure E/D) peut être construit uniquement avec des MOSFET à canaux du type n, le processus de fabrication est plus facile que pour un circuit logique CMOS, pour lequel il faut intégrer des MOSFET à canaux du type p et des MOSFET à canaux du type n sur un même substrat. Par ailleurs, comme un circuit NON-ET ou NON- OU ayant n entrées est construit par 2n MOSFET par la structure CMOS, contrairement au fait qu'il est construit par (n+1) MOSFET par la structure E/D, dans le cas o un même circuit logique est construit, la structure E/D présente l'avantage qu'elle peut être construite avec moins de MOSFET que la structure CMOS. En conséquence, si un circuit logique de structure E/D peut être construit à une si petite taille que sa longueur de canal est plus petite que 0,5 unm et être attaquée de manière stable à la fois à température ambiante et à la température de l'azote liquide, on peut réaliser, par un procédé relativement simple, comme on l'a décrit précédemment, un circuit intégré ultra rapide et à ultra haute densité ayant à la fois la haute vitesse du transistor bipolaire et la haute densité d'intégration (hereinafter referred to as the E / D structure) can only be built with n-type channel MOSFETs, the manufacturing process is easier than for a CMOS logic circuit, for which MOSFETs must be p-type channels and n-type channel MOSFETs on the same substrate. On the other hand, as a NAND or NON-OR circuit having n inputs is constructed by 2n MOSFET by the CMOS structure, contrary to the fact that it is constructed by (n + 1) MOSFET by the E / D structure, in the If the same logic circuit is built, the E / D structure has the advantage that it can be built with less MOSFET than the CMOS structure. Accordingly, if a logic circuit of E / D structure can be constructed to such a small size that its channel length is smaller than 0.5 μm and stably attacked at both room temperature and at room temperature. liquid nitrogen, it is possible to achieve, by a relatively simple method, as described above, a high-speed ultra-high density integrated circuit having both the high speed of the bipolar transistor and the high integration density.
du MOSFET.of the MOSFET.
Cependant, un circuit logique MOSFET ayant une structure logique E/D de l'art antérieur pose les problèmes suivants et ne peut présenter les However, a MOSFET logic circuit having an E / D logic structure of the prior art poses the following problems and can not present the
caractéristiques décrites ci-dessus. characteristics described above.
La figure 7A montre un exemple du circuit inverseur de structure E/D de l'art antérieur, o le chiffre de référence 1 est une borne d'entrée; 2 est une borne de sortie; 3 est une borne de source; 4 est un MOSFET à canal n du type à appauvrissement; 5 est un MOSFET à canal n du type à enrichissement; et 6 est la masse. Comme un circuit intégré logique ou un circuit intégré à mémoire est construit par une modification d'un inverseur, il est construit par deux MOSFET, qui sont le MOSFET 5 à canal n du type à enrichissement et le MOSFET 4 à canal n du type à appauvrissement. L'inverseur tel que décrit ci-dessus est l'unité de base du circuit intégré. Comme, en général, dans Si, la mobilité des électrons est plus importante que la mobilité des trous, les MOSFET à canal n, par lesquels un fonctionnement rapide est possible sont utilisés. Dans l'explication qui suit, le cas o les MOSFET à canal n sont utilisés sera pris comme exemple. La figure 7 démontre un exemple des Fig. 7A shows an example of the prior art E / D inverter circuit, where the reference numeral 1 is an input terminal; 2 is an output terminal; 3 is a source terminal; 4 is a depletion type n-channel MOSFET; 5 is an enrichment type n-channel MOSFET; and 6 is the mass. Since a logic integrated circuit or a memory integrated circuit is constructed by modifying an inverter, it is constructed by two MOSFETs, which are the enrichment-type n-channel MOSFET and the n-channel MOSFET 4 impoverishment. The inverter as described above is the basic unit of the integrated circuit. Since, in general, in Si, electron mobility is more important than hole mobility, n-channel MOSFETs, through which fast operation is possible, are used. In the following explanation, the case where n-channel MOSFETs are used will be taken as an example. Figure 7 shows an example of
caractéristique de sortie de l'inverseur. output characteristic of the inverter.
Dans le fonctionnement du circuit inverseur indiqué à la figure 7A, quand la tension d'entrée Ven appliquée à la borne d'entrée 1 est suffisamment plus faible que VINV, une tension, qui est à peu près égale à la tension de source VDD appliquée à la borne de source 3, est produite à la borne de sortie 2. Lorsqu'une tension, qui est à peu près égale à la tension de source VDD, est appliquée en tant que tension d'entrée Ven, la tension de sortie Vsor est à un niveau qui est presqu' égal à zéro. Dans la pratique, le niveau n'est pas à zéro mais une légère tension VBAS est produite. Usuellement, -la tension VBAS est d'environ 1/10 de la tension de In the operation of the inverter circuit shown in Fig. 7A, when the input voltage Ven applied to the input terminal 1 is sufficiently lower than VINV, a voltage, which is approximately equal to the applied VDD source voltage at the source terminal 3, is produced at the output terminal 2. When a voltage, which is approximately equal to the source voltage VDD, is applied as the input voltage Ven, the output voltage Vsor is at a level that is almost equal to zero. In practice, the level is not zero but a slight voltage VBAS is produced. Usually, the voltage VBAS is about 1/10 of the voltage of
source VDD.source VDD.
DD' En ce qui concerne les caractéristiques SE et SD du MOSFET à canal n du type à enrichissement et du MOSFET à canal n du type à appauvrissement, comme cela est indiqué sur la figure 8, la tension de porte pour laquelle le courant de drain ID commence à s'écouler, quand la tension de porte VG est appliquée, c'est-à-dire la tension de seuil Vth, est positive (Vth E) pour le type à enrichissement et négative (Vth D) pour le type à DD 'With respect to the SE and SD characteristics of the enrichment-type n-channel MOSFET and the depletion-type n-channel MOSFET, as shown in Fig. 8, the gate voltage for which the drain current ID starts to flow, when the gate voltage VG is applied, i.e. the threshold voltage Vth, is positive (Vth E) for the enrichment type and negative (Vth D) for the type to
appauvrissement.impoverishment.
Afin de réaliser le fonctionnement d'inverseur comme indiqué à la figure 7B, les tensions de seuil Vth E et Vth D du MOSFET du type à enrichissement et du type à appauvrissement constituant l'inverseur sont conçues de manière à être d'environ 0,2 VDD et - 0,6 VDD, respectivement. La figure 9 est une vue en coupe transversale d'un exemple du MOSFET de structure E/D indiqué à la figure 7A, qui est fabriqué par la méthode In order to perform the inverter operation as shown in FIG. 7B, the threshold voltages Vth E and Vth D of the enhancement type MOSFET and the depletion type constituting the inverter are designed to be about 0, 2 VDD and - 0.6 VDD, respectively. FIG. 9 is a cross-sectional view of an example of the structure E / D MOSFET shown in FIG. 7A, which is manufactured by the method
d'isolement connue LOCOS.known isolation LOCOS.
Sur la figure, le chiffre de référence 7 est un substrat en Si de conductivité du type p; 8 est un film d'oxyde de champ; 9 est une région dopée p+ (stoppeur de canal); 10 est une région dopée n+ (agissant comme la région de source S du MOSFET du type à enrichissement); 11 est une autre région dopée n+ (agissant comme la région de drain D du MOSFET du type à enrichissement et la région de source S du MOSFET du type à appauvrissement formée dans une même région); 12 est une autre région dopée n+ (agissant comme la région de drain D du MOSFET du type à appauvrissement); 13 est un film d'isolement de porte pour le MOSFET du type à enrichissement; 14 est une électrode de porte pour le MOSFET du type à enrichissement; 15 est une région dopée de canal du MOSFET du type à enrichissement dopé d'impuretés de la même conductivité que le Si de conductivité du type p; 16 et-17 sont un film d'oxyde de porte et une électrode de In the figure, the reference numeral 7 is a p-type conductivity Si substrate; 8 is a field oxide film; 9 is a p + doped region (channel stopper); 10 is an n + doped region (acting as the source region S of the enrichment type MOSFET); 11 is another n + doped region (acting as the enrichment type MOSFET drain region D and the depletion type MOSFET source region S formed in the same region); 12 is another n + doped region (acting as the D depletion region of the depletion type MOSFET); 13 is a gate insulation film for the enrichment type MOSFET; 14 is a gate electrode for the enrichment type MOSFET; 15 is an impure doped enrichment-type MOSFET channel doped region of the same conductivity as the p-type conductivity Si; 16 and -17 are a gate oxide film and an electrode of
porte pour le MOSFET du type à appauvrissement, respecti- gate for the depletion type MOSFET, respectively
vement; 18 et 18' sont des régions dopées de canal du MOSFET du type à appauvrissement dopé d'impuretés d'un type de conductivité opposé à Si de conductivité du type p; 19 est un film de PSG (film isolant); 20 est une électrode électriquement connectée à la porte 16 pour le MOSFET du type à appauvrissement; 21 est un câblage en Al métallique (ligne de masse); 22 est un câblage en Al métallique (ligne de source); 23 représente la longueur de canal du MOSFET du type à enrichissement; et 24 représente la longueur de canal du MOSFET du type à appauvrissement. Les électrodes de porte 14 et 17 sont faites en silicium polycristallin n+. Des ions d'impuretés comme B, etc..., ayant le même type de conductivité que le substrat 7 en Si de conductivité du type p sont implantés dans la région dopée de canal 15 Juste en dessous du film d'oxyde de porte 13 pour le MOSFET du type à enrichissement, pour ajuster la tension de seuil Vth E afin qu'elle soit à peu près de 0,2 VDD par rapport à la tension de source VDD. Des ions P ou As, qui sont des impuretés ayant une conductivité du type opposé au substrat 7 en Si de conductivité du type p sont implantés dans la région dopée de canal 18 Juste en dessous du film d'oxyde de porte 16 pour le MOSFET du type à appauvrissement pour aJuster sa tension de seuil Vth D afin qu'elle soit à peu près de -0,6 VDD relativement à tively; 18 and 18 'are doped impurity-doped depletion-type MOSFET channel regions of p-type conductivity type opposite conductivity type p; 19 is a PSG film (insulating film); 20 is an electrode electrically connected to the gate 16 for the depletion type MOSFET; 21 is a metal Al wiring (ground line); 22 is a metallic Al wiring (source line); 23 is the channel length of the enrichment type MOSFET; and 24 represents the channel length of the depletion type MOSFET. The gate electrodes 14 and 17 are made of n + polycrystalline silicon. Impurity ions such as B, etc., having the same type of conductivity as the p-type conductivity Si substrate 7 are implanted in the channel doped region 15 Just below the gate oxide film 13 for the enrichment-type MOSFET, to adjust the threshold voltage Vth E to be approximately 0.2 VDD with respect to the source voltage VDD. P or As ions, which are impurities having a conductivity of the opposite type to p-type conductivity Si substrate 7, are implanted in the channel doped region 18 Just below the gate oxide film 16 for the MOSFET of the depletion type to adjust its threshold voltage Vth D so that it is approximately -0.6 VDD relative to
la tension de source VDD.the source voltage VDD.
L'électrode 20 électriquement connectée à l'électrode de porte 17 du MOSFET du type à appauvrissement s'étend dans un plan perpendiculaire à la feuille. L'électrode 20 est faite du même matériau que l'électrode de porte pour le MOSFET du type à appauvrissement, c'est-à-dire Si polycristallin n+. La source du MOSFET du type à appauvrissement et le drain du MOSFET du type à enrichissement sont connectés à la région n 11 par l'électrode électriquement connectée à l'électrode de porte 17 pour le MOSFET du type à appauvrissement. L'électrode 20 sert de borne de sortie 2 The electrode 20 electrically connected to the gate electrode 17 of the depletion type MOSFET extends in a plane perpendicular to the sheet. The electrode 20 is made of the same material as the gate electrode for the depletion type MOSFET, i.e. polycrystalline n + Si. The depletion type MOSFET source and the enrichment type MOSFET drain are connected to the n-region 11 by the electrode electrically connected to the gate electrode 17 for the depletion type MOSFET. The electrode 20 serves as an output terminal 2
du circuit inverseur indiqué à la figure 7A. of the inverter circuit shown in Figure 7A.
Comme le MOSFET du type à enrichissement forme une couche inversée du type n dans la portion de surface du substrat en Si en fléchissant électriquement la bande interdite dans la portion de surface du substrat en Si de conductivité du type p par la tension appliquée à l'électrode de porte, aussi bien à la température ambiante qu'à la température de l'azote liquide, il accomplit un fonctionnement du type à enrichissement, E c'est-à-dire que sa tension de seuil VthE reste positive. Cependant, bien que le MOSFET du type à appauvrissement dans lequel des ions P ou As, qui sont des impuretés ayant une conductivité du type opposé au substrat 7 en Si de conductivité du type p, sont implantés pour former intentionnellement le canal 18' du type n Juste en dessous du film d'oxyde de porte 16, accomplisse l'opération d'appauvrissement à la température ambiante, à la température de l'azote liquide, comme As ou P implanté en tant qu'impuretés de conductivité du type opposé est gelé et non ionisé, dans le cas o aucune tension de porte n'est appliquée, il ne se forme pas de couche de canal n Juste en dessous du film d'oxyde de porte 16 et, par conséquent, il n'accomplit pas l'opération d'appauvrissement. En effet, le MOSFET qui peut accomplir l'opération d'appauvrissement grâce aux impuretés implantées d'une conductivité du type opposé accomplit l'opération Since the enrichment-type MOSFET forms an n-type inverted layer in the surface portion of the Si substrate by electrically bending the forbidden band in the surface portion of the p-type conductivity Si substrate by the voltage applied to it. gate electrode, both at room temperature and at the temperature of the liquid nitrogen, it performs an enrichment-type operation, that is, its threshold voltage VthE remains positive. However, although the depletion type MOSFET in which P or As ions, which are impurities having a conductivity of the opposite type to the p-type conductivity Si substrate 7, are implanted to intentionally form the channel 18 'of the n Just below the gate oxide film 16, perform the depletion operation at room temperature, at the liquid nitrogen temperature, as the As or P implanted as conductivity impurities of the opposite type is in the case where no door voltage is applied, no channel layer n is formed which is frozen and un-ionized. Just below the gate oxide film 16 and therefore does not perform operation of impoverishment. In fact, the MOSFET which can perform the depletion operation thanks to impurities implanted with a conductivity of the opposite type performs the operation
d'enrichissement à la température de l'azote liquide. enrichment at the temperature of the liquid nitrogen.
En conséquence, un problème était posé par le fait que bien que l'inverseur de l'art antérieur de structure E/D utilisant les MOSFET du type à appauvrissement comprenant la portion de canal 18' dopée d'impuretés d'une conductivité opposée accomplisse un fonctionnement normal à température ambiante, il ne peut accomplir un fonctionnement normal à la température de Accordingly, a problem was posed by the fact that although the prior art inverter of structure E / D using the depletion type MOSFETs comprising the impurity-doped channel portion 18 'of opposite conductivity accomplishes normal operation at room temperature, it can not perform normal operation at the temperature of
l'azote liquide.liquid nitrogen.
Le circuit logique MQSFET de structure E/D est caractérisé en ce que le procédé de fabrication est plus facile et que le nombre de MOSFET lors de la construction d'un même circuit logique est plus petit par rapport au The logic circuit MQSFET of structure E / D is characterized in that the manufacturing method is easier and the number of MOSFETs during the construction of the same logic circuit is smaller compared to the
circuit logique de structure CMOS.CMOS structure logic circuit.
La vitesse de fonctionnement des circuits logiques reste presqu'égale pour la structure E/D et pour la structure CMOS et il est possible également, par conséquent, d'augmenter la vitesse de travail par le The operating speed of the logic circuits remains almost equal for the I / O structure and for the CMOS structure and it is also possible, therefore, to increase the speed of operation by the
fonctionnement à la température de l'azote liquide. operating at the temperature of the liquid nitrogen.
Cependant, comme on l'a précédemment décrit, l'inverseur de structure E/D utilisant des MOSFET à appauvrissement o le canal est dopé d'impuretés d'une conductivité du type opposé au type de conductivité du substrat semiconducteur utilisé, présente un inconvénient par le fait qu'il ne peut accomplir l'opération d'appauvrissement à basse température à cause des impuretés qui sont gelées à ce moment. ' La présente invention a pour objet de produire un MOSFET pouvant accomplir un fonctionnement d'appauvrissement sans doper la portion de canal d'impuretés d'un type de conductivité opposé à celui du substrat semiconducteur utilisé ainsi qu'à un procédé pour construire un inverseur de structure E/D However, as previously described, the E / D structure inverter using depletion MOSFETs where the channel is doped with impurities of a conductivity of the type opposite to the conductivity type of the semiconductor substrate used, has a disadvantage. in that it can not perform the depletion operation at low temperature because of the impurities that are frozen at this time. It is an object of the present invention to provide a MOSFET capable of performing depletion operation without doping the impurity channel portion of a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate used as well as a method for constructing an inverter. E / D structure
l'utilisant.using it.
Un MOSFET selon la présente invention est caractérisé en ce que la portion de surface d'un corps semiconducteur Juste en dessous d'un film isolant, o est disposée l'électrode de porte, n'est pas dopée d'impuretés d'un type de conductivité opposé au type de conductivité du substrat.semiconducteur et dans le cas o le type de conductivité du substrat semiconducteur est p, la fonction de travail de l'électrode de porte est plus faible que celle du substrat et dans le cas o-le type de conductivité du substrat est n, la fonction de travail de l'électrode de porte est plus importante que celle du substrat. Si un MOSFET est construit comme décrit ci-dessus, la bande interdite pour la portion de surface du substrat est courbée vers le c8té négatif par la différence de fonction de travail dans un diagramme de bandes d'énergie utilisant l'énergie des électrons. Par conséquent, bien que la portion de surface ne soit pas dopée d'impuretés d'un type de conductivité opposé à celui du substrat, une couche inversée du type n est formée dans la portion de surface du substrat. Comme la fonction de travail ne varie presque pas, selon la température, la couche inversée du type n est formée dans la portion de surface du substrat aussi bien à température ambiante qu'à la température de l'azote liquide. En conséquence, le MOSFET construit comme décrit ci-dessus permet de réaliser l'opération A MOSFET according to the present invention is characterized in that the surface portion of a semiconductor body Just below an insulating film, where the gate electrode is disposed, is not doped with impurities of a type. of conductivity opposite to the conductivity type of the semiconductor substrate and in the case where the conductivity type of the semiconductor substrate is p, the working function of the gate electrode is lower than that of the substrate and in the case where the type of conductivity of the substrate is n, the working function of the gate electrode is greater than that of the substrate. If a MOSFET is constructed as described above, the bandgap for the surface portion of the substrate is bent to the negative side by the work function difference in an energy band diagram using the electron energy. Therefore, although the surface portion is not doped with impurities of a conductivity type opposite to that of the substrate, an n-type inverted layer is formed in the surface portion of the substrate. Since the working function hardly varies, depending on the temperature, the n-type inverted layer is formed in the surface portion of the substrate both at ambient temperature and at the temperature of the liquid nitrogen. As a result, the MOSFET built as described above makes it possible to perform the operation
d'appauvrissement à la fois à température ambiante et à. depletion both at room temperature and at room temperature.
basse température.low temperature.
Par ailleurs, lorsque l'on construit un inverseur E/D, en utilisant un MOSFET du type à appauvrissement construit comme décrit ci-dessus et un MOSFET du type à enrichissement de l'art antérieur, il peut accomplir l'opération d'inverseur à la fois à température ambiante et à la température de l'azote liquide. En particulier, à basse température, il est possible de réaliser un circuit logique ayant une haute vitesse de commutation grâce à l'augmentation de la On the other hand, when constructing an E / D inverter, using a depletion type MOSFET constructed as described above and a prior art enhancement type MOSFET, it can accomplish the inverter operation. both at room temperature and at the temperature of the liquid nitrogen. In particular, at low temperature, it is possible to produce a logic circuit having a high switching speed by increasing the
mobilité ou de la vitesse de saturation. mobility or saturation velocity.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci The invention will be better understood and other purposes, features, details and advantages thereof
apparattront plus clairement au cours de la description will appear more clearly during the description
explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention explanatory text which will follow with reference to the accompanying schematic drawings given solely by way of example illustrating several embodiments of the invention
et dans lesquels: -and in which: -
- la figure 1 est une vué en coupe transversale d'un mode de réalisation du MOSFET du type à appauvrissement, o la portion de canal n'est pas dopée d'impuretés d'un type de conductivité opposé à celui du substrat selon la présente invention; - la figure 2 est un graphique montrant un exemple des mesures de la courbe haute fréquence C-V pour le MOSFET du type à appauvrissement selon la présente invention; - la figure 3 est un diagramme montrant la relation entre la concentration des impuretés dans le substrat, pour laquelle la tension de seuil est négative, et l'épaisseur du film d'oxyde de porte dans le mode de réalisation indiqué à la figure 1; - la figure 4 est une vue en coupe transversale de l'inverseur à MOSFET à canal n de structure E/D pour le MOSFET du type à appauvrissement dont le canal n'est pas dopé d'impuretés d'un type de conductivité opposée à celui du substrat; - - la figure 5A est un schéma de circuit de l'inverseur E/D selon la présente invention; - la figure 5B est un graphique montrant un exemple des caractéristiques d'entrée/sortie de l'inverseur E/D indiqué à la figure 5A, pour une longueur de canal de 0,5 pm; - la figure 6A est un schéma de circuit de l'inverseur E/D selon la présente invention; - la figure 6B est un graphique montrant un exemple des caractéristiques d'entrée/sortie de l'inverseur E/D indiqué à la figure 6A, pour une longueur de canal de O,lpm; - la figure 7A est un schéma de circuit d'un circuit inverseur à MOSFET selon l'art antérieur de structure E/D; - la figure 7B est un graphique montrant un exemple des caractéristiques d'entrée/sortie de l'inverseur à MOSFET de l'art antérieur de structure E/D indiqué à la figure 7A; - la figure 8 est un graphique montrant un exemple des courbes du courant de drain (ID) en fonction de la tension de porte (VG) d'un MOSFET à canal n du type à appauvrissement de l'art antérieur et du type à enrichissement de l'art antérieur; et - la figure 9 est une vue en coupe transversale d'un inverseur à MOSFET à canal n de l'art antérieur de structure E/D, pour le MOSFET du type à appauvrissement dont le canal est dopé d'impuretés du type de FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of the depletion type MOSFET, where the channel portion is not doped with impurities of a conductivity type opposite to that of the substrate according to the present invention; invention; FIG. 2 is a graph showing an example of the measurements of the high frequency curve C-V for the depletion type MOSFET according to the present invention; FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the concentration of impurities in the substrate, for which the threshold voltage is negative, and the thickness of the gate oxide film in the embodiment shown in FIG. 1; FIG. 4 is a cross-sectional view of the n-channel MOSFET inverter of structure E / D for the depletion type MOSFET whose channel is not doped with impurities of a type of conductivity opposite to that of the substrate; FIG. 5A is a circuit diagram of the inverter E / D according to the present invention; Fig. 5B is a graph showing an example of the input / output characteristics of the E / D inverter shown in Fig. 5A, for a channel length of 0.5 μm; FIG. 6A is a circuit diagram of the E / D inverter according to the present invention; FIG. 6B is a graph showing an example of the input / output characteristics of the E / D inverter shown in FIG. 6A, for a channel length of 0.1 μm; FIG. 7A is a circuit diagram of a MOSFET inverter circuit according to the prior art of structure E / D; Fig. 7B is a graph showing an example of the input / output characteristics of the prior art MOSFET inverter of the E / D structure shown in Fig. 7A; FIG. 8 is a graph showing an example of the drain current (ID) curves as a function of the gate voltage (VG) of a prior art depletion type n-channel MOSFET and enrichment type. of the prior art; and FIG. 9 is a cross-sectional view of a prior art n-channel MOSFET inverter of structure E / D, for the depletion type MOSFET whose channel is doped with the type of impurity.
conductivité opposé à celui du substrat. conductivity opposite to that of the substrate.
La présente invention sera expliquée ci-dessous en se référant au mode de réalisation indiqué sur les dessins. La figure 1 est une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation du MOSFET du type à appauvrissement, o la portion de canal n'est pas dopée d'impuretés d'un type de conductivité opposé à celui du The present invention will be explained below with reference to the embodiment shown in the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of the depletion type MOSFET, where the channel portion is not doped with impurities of a conductivity type opposite to that of FIG.
substrat selon la présente invention. substrate according to the present invention.
Sur la figure 1, les mêmes chiffres de référence que ceux utilisés pour la figure 7A représentent des pièces identiques ou similaires et 25 est une région dopée n+ (la région de source S du MOSFET du type à appauvrissement). La portion de canal de surface 18' du substrat 7 en Si juste en dessous du film isolant 16 de l'électrode de porte 17 n'est pas dopée d'impuretés d'un type de conductivité (type n) opposé à celui du substrat 7. Cette portion 18' peut être dopée d'impuretés du même type de conductivité (type p) que le substrat 7. Par ailleurs, l'électrode de porte 17 est faite en un matériau ayant une fonction de travail, qui est plus faible que la fonction de travail du substrat 7 en Si de conductivité du type p. Le substrat 7 en Si peut être de conductivité du type n. Dans ce cas, la portion 18' décrite ci-dessus n'est pas dopée d'impuretés de conductivité du type p et l'électrode de porte 17 est faite en un matériau ayant une fonction de travail plus grande que celle du substrat 7. Dans ce cas également la portion correspondant à la portion 18' indiquée ci-dessus peut être dopée d'impuretés du même type de conductivité In FIG. 1, the same reference numbers as those used for FIG. 7A represent identical or similar parts and 25 is an n + doped region (the source region S of the depletion type MOSFET). The surface channel portion 18 'of the substrate 7 in Si just below the insulating film 16 of the gate electrode 17 is not doped with impurities of a type of conductivity (type n) opposite to that of the substrate. 7. This portion 18 'can be doped with impurities of the same type of conductivity (p type) as the substrate 7. Moreover, the gate electrode 17 is made of a material having a working function, which is lower that the working function of the p-type conductivity Si substrate 7. The substrate 7 in Si may be of n-type conductivity. In this case, the portion 18 'described above is not doped with p-type conductivity impurities and the gate electrode 17 is made of a material having a larger working function than that of the substrate 7. In this case also the portion corresponding to the portion 18 'indicated above may be doped with impurities of the same type of conductivity
que le substrat du type n.that the n-type substrate.
La structure de base est identique à celle d'un MOSFET à canal n du type à enrichissement fabriqué par la méthode d'isolement LOCOS et son procédé de fabrication The basic structure is identical to that of an enrichment type n-channel MOSFET manufactured by the LOCOS isolation method and its manufacturing method
est identique au procédé bien connu de MOSFET à canal n. is identical to the well known method of n-channel MOSFET.
l'isolement des éléments peut être effectué'par toute méthode d'isolement autre que la méthode d'isolement the isolation of the elements may be done by any method of isolation other than isolation
LOCOS si les éléments peuvent ainsi être isolés. LOCOS if the elements can thus be isolated.
Si l'électrode de porte était faite en un silicium polycristallin du type n+, ce serait un MOSFET à If the gate electrode was made of n + type polycrystalline silicon, it would be a MOSFET with
canal n du type à enrichissement usuel. channel n of the usual enrichment type.
L'une des caractéristiques de la présente invention réside dans le fait que l'électrode de porte n'est pas faite en silicium polycristallin du type n+ One of the features of the present invention resides in the fact that the gate electrode is not made of n + type polycrystalline silicon.
mais en un matériau ayant une petite fonction de travail. but in a material having a small work function.
Il faut que le matériau pour l'électrode de porte ait une fonction de travail plus faible qu'environ 4eV et il est souhaitable que la fonction de travail soit aussi faible que possible. Des métaux simples tels que Mg, Sc, Y, Ba, La, Ce, -Pr, Nd, Er etc..., et des composés tels que LaB6, etc..., peuvent être utilisés dans ce but. Parmi eux, il est souhaitable d'utiliser La, Mg ou LaB6 parce qu'ils sont adaptés au procédé conventionnel au silicium et ont un fort point de fusion et une haute ouvrabilité. En particulier, LaB6 a une fonction de travail d'environ 2, 5eV et il appartient au groupe ayant la plus petite fonction de travail parmi les matériaux décrits ci-dessus. Par ailleurs, son point de fusion est supérieur à 800 C et il est chimiquement stable. De plus, comme un film mince de LaB6 peut être formé facilement par la méthode bien connue d'évaporation d'un faisceau d'électrons et que l'orientation cristallographique peut être contr8lée en choisissant la condition d'évaporation, The material for the door electrode needs to have a lower working function than about 4eV and it is desirable that the working function be as low as possible. Simple metals such as Mg, Sc, Y, Ba, La, Ce, -Pr, Nd, Er etc., and compounds such as LaB6, etc. can be used for this purpose. Among them, it is desirable to use La, Mg or LaB6 because they are suitable for the conventional silicon process and have a high melting point and high workability. In particular, LaB6 has a work function of about 2.5eV and it belongs to the group with the smallest work function among the materials described above. Moreover, its melting point is greater than 800 C and it is chemically stable. In addition, since a thin film of LaB6 can easily be formed by the well-known method of evaporation of an electron beam and the crystallographic orientation can be controlled by selecting the evaporation condition,
LaB6 est l'un des matériaux les plus souhaitables. LaB6 is one of the most desirable materials.
Dans le mode de réalisation selon la présente invention, on a utilisé Mg, La et LaB6 pour l'électrode de porte 17. Cependant, d'autres matériaux peuvent être utilisés s'ils ont une fonction de travail plus faible qu'environ 4eV, s'ils sont chimiquement stables et s'ils In the embodiment according to the present invention, Mg, La and LaB6 have been used for the gate electrode 17. However, other materials may be used if they have a lower working function than about 4eV, if they are chemically stable and if they
ont un point de fusion supérieur à 800 C. have a melting point greater than 800 C.
Lorsque l'on utilise, pour l'électrode de porte, un matériau ayant-une fonction de travail plus faible que 3,5 eV, la bande interdite dans la portion de surface Juste en dessous du film d'oxyde de porte est courbée par la différence de fonction de travail entre le matériau et le Si de conductivité du type p et la portion de surface est inversée à la conductivité du type n. En effet, il est possible de former la bouche de canal du type n dans la portion de surface Juste en dessous du film d'oxyde de porte sans former intentionnellement la région du type n en implantant des ions de P ou As, qui sont des impuretés d'un type de conductivité opposé au type de conductivité du substrat, par l'implantation d'ions dans la portion de canal 18' du substrat en Si de conductivité du type p juste en dessous du film d'oxyde When a material having a work function lower than 3.5 eV is used for the gate electrode, the band gap in the surface portion Just below the gate oxide film is bent by the working function difference between the material and the p-type conductivity Si and the surface portion is reversed to the n-type conductivity. Indeed, it is possible to form the n-type channel mouth in the surface portion Just below the gate oxide film without intentionally forming the n-type region by implanting P or As ions, which are impurities of a conductivity type opposite to the conductivity type of the substrate, by the implantation of ions in the channel portion 18 'of the p-type conductivity Si substrate just below the oxide film
de porte 16.door 16.
La figure 2 est un graphique montrant un exemple des mesures de la courbe haute fréquence C-V d'une diode MIS entre l'électrode de porte 17 et le substrat 7 en Si de conductivité du type p pour une fréquence d'environ 1 MHz à une température de 27 C, par exemple, quand la concentration en impuretés dans le substrat en Si de conductivité du type p est de lxlO16cm3; le film d'oxyde de porte a environ 20nm d'épaisseur; et l'électrode de porte en LaB6 a environ 500 nm d'épaisseur. La tension de seuil, à laquelle a été inversée la portion de surface du substrat en Si de conductivité du type p de la diode MIS était d'environ -1,6V. La courbe C-V obtenue à la température de l'azote liquide était à peu près égale à celle obtenue à la température ambiante et la tension de seuil était également égale à celle obtenue à la température FIG. 2 is a graph showing an example of the measurements of the high frequency CV curve of a MIS diode between the gate electrode 17 and the p-type conductivity Si substrate 7 for a frequency of about 1 MHz to a temperature of 27 C, for example, when the impurity concentration in the p-type conductivity Si substrate is 1x10 6 cm 3; the gate oxide film is about 20 nm thick; and the LaB6 gate electrode is about 500 nm thick. The threshold voltage, at which the surface portion of the p-type conductivity Si substrate of the MIS diode was inverted, was about -1.6V. The C-V curve obtained at the temperature of the liquid nitrogen was approximately equal to that obtained at ambient temperature and the threshold voltage was also equal to that obtained at the temperature
ambiante, c'est-à-dire environ -1,6V. ambient, that is, about -1.6V.
Dans les caractéristiques courant de drain (ID)-tension de porte (VG) du MOSFET du type à enrichissement ayant une longueur de canal d'environ lpm, D était d'environ -1,6V aussi bien à la température Vtb ambiante qu'à 196 C. Par ailleurs, dans le cas o l'on a utilisé les dimensions décrites précédemment et une électrode de porte faite en Mg, la tension de seuil était d'environ -0,9V aussi bien à la température ambiante qu'à In the current drain (ID) gate-voltage characteristics (VG) of the enrichment-type MOSFET having a channel length of about 1pm, D was about -1.6V as well at ambient Vtb On the other hand, in the case where the dimensions previously described and a gate electrode made of Mg were used, the threshold voltage was approximately -0.9V both at room temperature and at room temperature.
-196 C.-196 C.
Comme on l'a expliqué dans le mode de réalisation ci-dessus, il est possible de transformer la tension de seuil à une valeur négative en utilisant un matériau ayant une petite fonction de travail pour l'électrode de porte sans doper intentionnellement la portion du substrat en Si de conductivité du type p juste en dessous du film d'oxyde de porte par des impuretés (P, As, etc...) d'un type de conductivité opposé à celui du As explained in the above embodiment, it is possible to transform the threshold voltage to a negative value by using a material having a small working function for the gate electrode without intentionally doping the portion of the gate. p-type conductivity Si substrate just below the gate oxide film by impurities (P, As, etc.) of a conductivity type opposite to that of the
substrat.substrate.
La condition à laquelle la tension de seuil se transforme en une valeur négative dépend principalement de la résistivité du substrat en Si de conductivité du type p et de l'épaisseur du film d'oxyde de porte et non pas de l'épaisseur de l'électrode de porte. Dans le cas o l'on utilise LaB6, la tension de seuil dépend légèrement également de l'orientation de la surface cristallographique du film de LaB6 et change d'environ The condition at which the threshold voltage is converted to a negative value depends mainly on the resistivity of the p-type conductivity Si substrate and the thickness of the gate oxide film and not on the thickness of the gate oxide film. door electrode. In the case where LaB6 is used, the threshold voltage also depends slightly on the orientation of the crystallographic surface of the LaB6 film and changes approximately
0,3V selon l'orientation.0.3V depending on the orientation.
Par exemple, dans le cas o la concentration en impuretés dans le substrat en Si de conductivité du type p est d'environ lxlO 17cm-3 (résistivité d'environ 1,52%cm), lorsque l'on utilise LaB6 pour l'électrode de porte et que l'épaisseur du film d'oxyde de porte est plus faible qu'environ 40 nm, la tension de seuil est négative. La figure 3 montre la relation entre la concentration en impuretés NA dans le substrat en Si de conductivité du type p dont la tension de seuil s'est transformée en une valeur négative en utilisant LaB6 et Mg pour l'électrode de porte et l'épaisseur H du film d'oxyde de porte. Par exemple, quand l'épaisseur du film d'oxyde de porte et la concentration en impuretés sont dans une région en dessous de la ligne respective (région hachurée) de la figure 3, la tension de seuil est For example, in the case where the impurity concentration in the p-type conductivity Si substrate is about 1 × 10 17 cm -3 (resistivity about 1.52% cm), when LaB6 is used for gate electrode and the thickness of the gate oxide film is lower than about 40 nm, the threshold voltage is negative. Figure 3 shows the relationship between the impurity concentration NA in the p-type conductivity Si substrate whose threshold voltage has turned into a negative value using LaB6 and Mg for the gate electrode and the thickness H of the gate oxide film. For example, when the thickness of the gate oxide film and the impurity concentration are in a region below the respective line (hatched region) of Figure 3, the threshold voltage is
négative. La diode MIS, pour laquelle les caractéris- negative. The MIS diode, for which the characteristics
tiques sont indiquées aux figures 2 et 3 est un échantillon, o la densité au niveau interfacial est par exemple de 1 à 2x1010 cm-3. Dans le cas du MOSFET à canal n, si la densité au niveau interfacial est élevée, comme la tension de seuil augmente en direction négative, une densité au niveauinterfacial supérieure à 2xlO1 cm 3 FIGS. 2 and 3 are a sample, where the density at the interfacial level is, for example, from 1 to 2 × 10 10 cm -3. In the case of the n-channel MOSFET, if the density at the interfacial level is high, as the threshold voltage increases in the negative direction, an interfacial density greater than 2x101 cm 3
peut également être utilisée.can also be used.
Pour les diodes MIS ayant des densités différentes au niveau interfacial, les caractéristiques indiquées aux figures 2 et 3 sont différentes. De toute façon, afin de transformer la valeur de seuil à une valeur négative, il était nécessaire d'utiliser un matériau ayant une petite fonction de travail pour For MIS diodes having different densities at the interfacial level, the characteristics shown in FIGS. 2 and 3 are different. In any case, in order to transform the threshold value to a negative value, it was necessary to use a material having a small work function for
l'électrode de porte.the door electrode.
Comme on l'a décrit ci-dessus, bien que la tension de seuil soit négative pour le MOSFET à canal du type n, pour l'inverseur de structure E/D, la grandeur de la tension de seuil pose un problème. Pour l'inverseur de structure E/D, la tension de seuil VINV de l'inverseur est définie comme une tension pour laquelle la tension de sortie Vsor est égale à la tension d'entrée Ven dans les As described above, although the threshold voltage is negative for the n-type MOSFET, for the E / D structure inverter, the magnitude of the threshold voltage is a problem. For the E / D structure inverter, the threshold voltage VINV of the inverter is defined as a voltage for which the output voltage Vsor is equal to the input voltage Ven in the
caractéristiques d'inverseur indiquées à la figure 7B. inverter characteristics shown in Figure 7B.
Par une méthode bien connue de conception, la tension de seuil de l'inverseur est établie à -0,6 VDD donc la vitesse de commutation reste àpeu près égale à la mise en circuit et à la mise hors circuit de la tension d'entrée à environ la moitié de la tension de source VDD de l'inverseur. En conséquence, dans le cas o la tension de source VDD est de 5V, la tension de seuil du MOSFET du By a well known method of design, the threshold voltage of the inverter is set at -0.6 VDD so the switching speed remains close to equal to the switching on and off of the input voltage at about half the source voltage VDD of the inverter. Accordingly, in the case where the source voltage VDD is 5V, the threshold voltage of the MOSFET of the
type à appauvrissement est d'environ -3V. depletion type is about -3V.
Dans le circuit logique à MOSFET de haute densité et à vitesse ultra rapide qui est l'objet de la présente invention, comme il se compose de MOSFET précis, dont la longueur de canal est plus petite qu'environ 0,5 pm, la tension de seuil est d'environ 3,3V, quand la longueur de canal est d'environ 0,5pm, et de 1,5V quand elle est d'environ 0,1 plm. Par conséquent, la tension de seuil du MOSFET du type à appauvrissement doit être établie à environ -2V, quand la longueur de canal est d'environ 0,5 pm et de -0,6 à - 1,0V lorsqu'elle est de 0,1.m. Comme le montrent les exemples indiqués aux figures 2 et 3, une tension de seuil d'environ -1, 7V pourrait être obtenue dans le mode de réalisation du MOSFET du type à appauvrissement selon la présente invention. Par ailleurs, il est possible de contr8ler la tension de porte dans une région de -2V à OV en implantation B, etc..., qui sont des impuretés du même type de conductivité que le substrat du type p, dans la portion de canal, même si le film d'oxyde de porte a une certaine épaisseur. Dans le MOSFET du type à appauvrissement selon la présente invention, la limite inférieure de la tension obtenue de seuil, dans le cas o l'on utilise une porte faite de LaB6 et lorsque la concentration d'impuretés dans le substrat de conductivité du type p n'atteint par exemple que lxlO15cm-3 et que le film d'oxyde de porte est aussi mince que 5nm, est d'environ -2V. En conséquence, le MOSFET du type à appauvrissement selon la présente invention peut être utilisé pour l'inverseur de structure E/D utilisant des MOSFET précis, dont la longueur de canal est plus faible que 0,5 pm, o le film d'oxyde de porte doit être aussi mince qu'environ 5 à 20 nm et la In the high-speed, high-speed, MOSFET logic circuit which is the subject of the present invention, as it consists of precise MOSFETs, whose channel length is smaller than about 0.5 μm, the voltage threshold is about 3.3V, when the channel length is about 0.5pm, and 1.5V when it is about 0.1 plm. Therefore, the threshold voltage of the depletion type MOSFET should be set to about -2V, when the channel length is about 0.5 μm and -0.6 to -0.6V when it is 0,1.m. As shown in the examples shown in FIGS. 2 and 3, a threshold voltage of about -1.7V could be obtained in the embodiment of the depletion type MOSFET according to the present invention. On the other hand, it is possible to control the gate voltage in a region from -2V to OV in implantation B, etc., which are impurities of the same conductivity type as the p-type substrate, in the channel portion. , even if the door oxide film has a certain thickness. In the depletion type MOSFET according to the present invention, the lower limit of the threshold threshold voltage, when using a gate made of LaB6 and when the impurity concentration in the p-type conductivity substrate is used. For example, it only reaches 1x105cm-3 and the gate oxide film is as thin as 5 nm, is about -2V. Accordingly, the depletion type MOSFET according to the present invention can be used for the E / D structure inverter using precise MOSFETs, whose channel length is smaller than 0.5 μm, where the oxide film the gate should be as thin as about 5 to 20 nm and the
tension de source doit n'atteindre qu'environ 1 à 3,3V. Source voltage should only reach about 1 to 3.3V.
Un mode de réalisation de l'inverseur de structure E/D utilisant une électrode de porte faite en One embodiment of the E / D structure inverter using a gate electrode made of
LaB6 ou Mg est montré à la figure 4. LaB6 or Mg is shown in Figure 4.
Sur la figure, des chiffres de référence identiques à ceux indiqués à la figure 1 représentent des articles identiques ou correspondants et 26 est la portion de canal du MOSFET du type à appauvrissement, qui n'est pas dopée d'impuretés d'un type de conductivité opposé à celui du substrat. La structure fondamentale est In the figure, reference numerals identical to those shown in FIG. 1 represent identical or corresponding articles and 26 is the channel portion of the depletion type MOSFET, which is not doped with impurities of a type of conductivity opposite to that of the substrate. The basic structure is
comme suit.as following.
Un circuit intégré comprenant l'inverseur de structure E/D indiqué à la figure 4 comprend un substrat semiconducteur 7 du type p ou n; une région de source 10 d'un MOSFET du type à enrichissement et une région de drain 12 d'un MOSFET du type à appauvrissement à une certaine distance sur la surface principale du substrat semiconducteur; une région commune 11 en forme d'flot servant de région de drain du MOSFET du type à An integrated circuit comprising the E / D structure inverter indicated in FIG. 4 comprises a p or n type semiconductor substrate 7; a source region of an enhancement type MOSFET and a drain region of a depletion type MOSFET at a distance on the main surface of the semiconductor substrate; a stream-like common region 11 serving as the MOSFET drain region of the
enrichissement et de région de source du MOSFET du type à. enrichment and source region of the MOSFET type.
appauvrissement entre la région de source du MOSFET du type à enrichissement et la région de drain du MOSFET du type à appauvrissement; un film d'isolement de porte 16 pour le MOSFET du type à appauvrissement formé sur la portion de surface 15 du substrat semi-conducteur entre la région de drain du MOSFET du type à appauvrissement et la région commune, laquelle portion n'est pas dopée d'impuretés d'un type de conductivité qui est opposé à celui du substrat semi-conducteur; et une électrode de porte 17 pour le MOSFET du type à appauvrissement qui est formée sur le film d'isolement de porte pour le MOSFET du type à appauvrissement; une électrode 20 formée sur la région commune et électriquement connectée à l'électrode de porte pour le MOSFET du type à appauvrissement; un film d'isolement de porte 13 pour le MOSFET du type à enrichissement formé sur la portion de surface 26 du substrat semi-conducteur entre la région de source du MOSFET du type à enrichissement et la région commune, laquelle portion n'est pas dopée d'impuretés d'un type de conductivité qui est opposé à celui du substrat semiconducteur; et une électrode de porte 14 pour le MOSFET du type à enrichissement qui est formée sur le film d'isolement de porte du MOSFET du type à enrichissement; o au moins une électrode de porte pour le MOSFET du type à appauvrissement à une fonction de travail qui est plus faible que celle du substrat semiconducteur du type p dans le cas o le substrat semiconducteur est de conductivité du type p plus importante que celle du substrat semiconducteur du type n dans le cas o le substrat semiconducteur est de depleting between the source region of the enrichment type MOSFET and the depletion type MOSFET drain region; a gate insulation film 16 for the depletion type MOSFET formed on the surface portion 15 of the semiconductor substrate between the depletion type MOSFET drain region and the common region, which portion is not doped impurities of a conductivity type which is opposite to that of the semiconductor substrate; and a gate electrode 17 for the depletion type MOSFET which is formed on the gate isolation film for the depletion type MOSFET; an electrode 20 formed on the common region and electrically connected to the gate electrode for the depletion type MOSFET; a gate insulation film 13 for the enrichment type MOSFET formed on the surface portion 26 of the semiconductor substrate between the source region of the enrichment-type MOSFET and the common region, which portion is not doped impurities of a conductivity type which is opposite to that of the semiconductor substrate; and a gate electrode 14 for the enrichment type MOSFET which is formed on the enrichment-type MOSFET gate insulation film; at least one gate electrode for the depletion type MOSFET at a working function which is lower than that of the p-type semiconductor substrate in the case where the semiconductor substrate is of p-type conductivity greater than that of the substrate type n semiconductor in the case where the semiconductor substrate is
conductivité du type n.n-type conductivity.
Comme procédé de fabrication du mode de réalisation ci-dessus décrit, le procédé n MOS utilisant As a manufacturing method of the embodiment described above, the method MOS using
la technique d'isolement LOCOS bien connue a été utilisé. the well-known LOCOS isolation technique was used.
L'isolement peut être effectué en utilisant toute méthode autre que la méthode d'isolement LOCOS. Il faut simplement pouvoir isoler différents éléments. Cependant, contrairement au procédé n MOS bien connu, la partie du Si 26 de conductivité du type p qui se trouve Juste en dessous du film d'oxyde de porte 16 dans le MOSFET à canal n du type à appauvrissement n'est pas dopée par implantation d'ions etc..., au moyen d'impuretés telles que As et P ayant un type opposé de conductivité. Par ailleurs, on utilise LaB6 ou Mg pour l'électrode de porte 17 du MOSFET à canal n du type à appauvrissement. La porte faite de LaB6 a été formée en utilisant la méthode bien connue d'évaporation au faisceau d'électrons. Celle faite de Mg a été formée en utilisant la méthode bien connue d'évaporation au faisceau d'électrons ou la méthode de pulvérisation. La région de source et de drain du MOSFET à canal n du type à appauvrissement était formée par implantation d'ions de P après formation de Isolation can be done using any method other than the LOCOS isolation method. You just have to be able to isolate different elements. However, in contrast to the well-known MOS method, the p-type portion of the p-type Si 26 which lies just below the gate oxide film 16 in the depletion type n-channel MOSFET is not doped with implantation of ions etc ..., by means of impurities such as As and P having an opposite type of conductivity. On the other hand, LaB6 or Mg is used for the gate electrode 17 of the depletion type n-channel MOSFET. The gate made of LaB6 was formed using the well known method of electron beam evaporation. That made of Mg was formed using the well known method of electron beam evaporation or the spraying method. The source and drain region of the depletion type n-channel MOSFET was formed by P ion implantation after
l'électrode de porte en LaB6.the LaB6 door electrode.
Par ailleurs, pour l'électrode de porte 14 du MOSFET du type à enrichissement, on a utilisé Si On the other hand, for the gate electrode 14 of the enrichment type MOSFET, Si
polycristallin conventionnel du type n+. conventional polycrystalline n + type.
Par exemple, l'électrode de porte 17 en LaB6 n'est pas formée par une seule couche comme cela est indiqué à la figure 4 mais elle peut avoir une structure à deux couches consistant en une couche polycristalline ou de siliciure du type n+ qui est formée sur la couche For example, the LaB6 gate electrode 17 is not formed by a single layer as shown in FIG. 4 but may have a two-layer structure consisting of a polycrystalline or n + type silicide layer which is formed on the layer
de LaB6.from LaB6.
Afin de contrôler la tension de seuil du MOSFET du type à enrichissement, des ions de B, qui sont des impuretés du même type de conductivité que le Si de conductivité du type p, ont été implantés dans la portion de canal avant formation du film d'oxyde de porte 13. Les ions de B ont été implantés de manière que la tension de seuil Vth E soit d'environ 0,7V pour un MOSFET ayant une longueur de canal d'environ 0,5 pn et que la tension de seuil Vt E soit environ +0,3V pour un MOSFET ayant une th In order to control the threshold voltage of the enrichment-type MOSFET, ions of B, which are impurities of the same conductivity type as the p-type conductivity Si, were implanted in the channel portion prior to forming the film. 13. The ions of B have been implanted so that the threshold voltage Vth E is about 0.7V for a MOSFET having a channel length of about 0.5 pn and that the threshold voltage Vt E is about + 0.3V for a MOSFET with a th
longueur de canal de 0,1)lm.channel length of 0.1) lm.
Par ailleurs, afin de contr8ler la tension de seuil du MOSFET du type à appauvrissement, des ions de B, qui sont des impuretés du même type de conductivité que le substrat en Si de conductivité du type p, ont été implantés dans la portion de canal avant formation du film d'oxyde de porte 2. Les ions de B ont été implantés de manière que la tension de seuil Vth D soit d'environ -2V pour un MOSFET ayant une longueur de canal de 0,5 pm et que le seuil Vth D soit d'environ -1V pour un MOSFET Furthermore, in order to control the threshold voltage of the depletion type MOSFET, ions of B, which are impurities of the same conductivity type as the p-type conductivity Si substrate, have been implanted in the channel portion. prior to formation of the gate oxide film 2. The B ions were implanted so that the threshold voltage Vth D is about -2V for a MOSFET having a channel length of 0.5 μm and the threshold Vth D is about -1V for a MOSFET
ayant une longueur de canal de 0,1 pm. having a channel length of 0.1 μm.
Bien que dans le présent mode de réalisation, des impuretés du même type deconductivité que le Si de conductivité du type p aient été implantées pour le contr8le de la tension de seuil, l'implantation d'ions n'est pas nécessairement effectuée si les tensions de seuil du MOSFET du type à enrichissement et du MOSFET du type à appauvrissement sont respectivement d'environ 0,2VDD et d'environ -O,SVDD, par rapport à la tension de Although in the present embodiment impurities of the same deconductivity type as the p-type conductivity Si have been implanted for controlling the threshold voltage, ion implantation is not necessarily performed if the voltages the enrichment-type MOSFET threshold and the depletion-type MOSFET are approximately 0.2VDD and about -O, SVDD, respectively, relative to
source VDD de l'inverseur E/D.VDD source of the inverter E / D.
Si des ions de P ou As, qui sont des impuretés d'un type de conductivité opposé à celui de Si du type p, étaient implantés dans la portion de canal à la fabrication du MOSFET du type à appauvrissement selon la technique de l'art antérieur, bien qu'un canal du type n soit formé, accomplissant l'opération du type appauvrissement à la température ambiante, à la température de l'azote liquide (-196 C), comme les impuretés de P ou As implantées en tant qu'impuretés de conductivité du type n seraient épuisées, il ne se formerait pas de couche de canal du type n et le fonctionnement du type à appauvrissement ne pourrait être accompli. Cependant, dans le cas o la portion de canal est dopée d'impuretés de conductivité du type p par rapport à Si de conductivité du type p uniquement afin de changer la concentration, comme il n'y a pas gel, ce gel précédemment décrit n'a d'influence ni à la température ambiante ni à -196 C. Par conséquent, l'inverseur E/D selon la présente- invention permet d'accomplir un fonctionnement normal d'inverseur aussi bien à If P or As ions, which are impurities of a type of conductivity opposite to that of p-type Si, were implanted in the channel portion in the manufacture of the depletion type MOSFET according to the technique of the art former, although an n-type channel is formed, performing the room-temperature depletion type operation at the liquid nitrogen temperature (-196 ° C), such as impurities of P or As implanted as n-type conductivity impurities would be exhausted, n-type channel layer would not form and depletion-type operation could not be accomplished. However, in the case where the channel portion is doped with p-type conductivity impurities with respect to p-type conductivity Si only in order to change the concentration, as there is no gel, this previously described gel It has no influence either at ambient temperature or at -196 C. Therefore, the inverter E / D according to the present invention makes it possible to perform a normal inverter operation both at
température ambiante qu'à -196 C.room temperature at -196C.
Les figures 5B et 6B montrent les caractéristiques d'entrée/sortie des inverseurs E/D indiqués aux figures SA et 6A utilisant des MOSFET ayant une longueur de canal d'environ 0,5 pm et une longueur de canal d'environ 0,1 Fm, respectivement. La tension de source VDD est d'environ 3,3V pour un inverseur et ayant une longueur de canal d'environ 0,5 pn et d'environ 1,5V pour un inverseur ayant une longueur de canal d'environ 0,1 pm. Les caractéristiques d'entrée/sortie indiquées aux figures 5B et 6B ont été obtenues à la fois à température ambiante et à -196 C. Contrairement au fait que l'inverseur E/D utilisant des MOSFET conventionnels du type à appauvrissement n'accomplissait pas de fonctionnement normal à -196 C, l'inverseur E/D selon la présente invention accomplit un fonctionnement normal Figs. 5B and 6B show the input / output characteristics of the E / D inverters shown in Figs. 1A and 6A using MOSFETs having a channel length of about 0.5 μm and a channel length of about 0.1. Fm, respectively. The source voltage VDD is about 3.3V for an inverter and has a channel length of about 0.5 pn and about 1.5V for an inverter having a channel length of about 0.1 pm . The input / output characteristics shown in FIGS. 5B and 6B were obtained at both room temperature and -196 C. In contrast to the fact that the E / D inverter using conventional depletion-type MOSFETs did not perform operating normal to -196 C, the inverter E / D according to the present invention performs normal operation
aussi bien à température ambiante qu'à -196 C. both at room temperature and at -196 C.
Un oscillateur annulaire a été construit en reliant les inverseurs E/D décrits ci-dessus en plusieurs étages et on a mesuré le temps de retard par porte à la température ambiante et à -196 C. On a trouvé qu'il était écourté d'environ 0,7 à 0,5 fois à -196 C par rapport à An annular oscillator was constructed by connecting the E / D inverters described above in several stages and the delay time per gate was measured at room temperature and at -196 C. It was found that it was shortened by about 0.7 to 0.5 times at -196 C compared to
celui obtenu à température ambiante. that obtained at room temperature.
Bien que dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, l'on ait utilisé, pour le substrat, Si du type p de conductivité, dans le cas o l'on utilise Si du type n pour le substrat, il est possible de construire un MOSFET à canal p du type à appauvrissement et un inverseur de structure E/D sans doper la portion de canal du MOSFET du type à appauvrissement par B, qui est une Although in the embodiment described above, for the substrate, Si of the conductivity type p has been used, in the case where n-type Si is used for the substrate, it is possible to construct a depletion type p-channel MOSFET and an E / D structure inverter without doping the channel portion of the B-depletion type MOSFET, which is a
impureté d'un type de conductivité opposé à Si du type n. impurity of a type of conductivity opposed to Si of the type n.
Pour l'électrode de porte du MOSFET à canal p du type à appauvrissement, parmi les matériaux ayant une fonction de travail plus importante que celle de Si de conductivité du type n, on peut utiliser Se, Ir, Pt, etc... , qui sont des matériaux ayant une fonction de travail plus importante qu'environ 5,5eV. Cependant, on utilise de préférence Pt qui peut facilement être formé par la méthode d'évaporation d'un faisceau d'électrons For the gate electrode of the depletion-type p-channel MOSFET, among the materials having a larger working function than the n-type conductivity Si, it is possible to use Se, Ir, Pt, etc. which are materials with a larger work function than about 5.5eV. However, Pt is preferably used which can easily be formed by the electron beam evaporation method.
etc... et dont le point de fusion est d'environ 1770 C. etc ... and whose melting point is about 1770 C.
En utilisant une électrode de porte faite de platine, il By using a door electrode made of platinum, it
a été possible d'obtenir un MOSFET du type à appauvris- It has been possible to obtain an impoverished type MOSFET
sement accomplissant son opération d'appauvrissement à la fois à température ambiante et à basse température et performing its depletion operation both at room temperature and at low temperature, and
d'obtenir un inverseur à canal p de structure E/D. to obtain a p-channel inverter of structure E / D.
Le MOSFET du type à appauvrissement selon la présente invention peut fonctionner à la fois à la température ambiante et à la température de l'azote liquide et également l'inverseur de structure E/D peut fonctionner à la fois à la température ambiante et à la The depletion type MOSFET according to the present invention can operate at both room temperature and liquid nitrogen temperature and also the E / D structure inverter can operate at both room temperature and at room temperature.
température de l'azote liquide.temperature of the liquid nitrogen.
Un circuit intégré MOSFET utilisant des MOSFET du type à appauvrissement et des inverseurs de structure E/D peut produire un circuit intégré à haute densité et très rapide ayant à la fois la grande vitesse du circuit intégré utilisant des transistors bipolaires et le degré élevé d'intégration du MOSFET en l'attaquant à la A MOSFET integrated circuit using depletion type MOSFETs and E / D structure inverters can produce a high density, very fast integrated circuit having both the high speed of the integrated circuit using bipolar transistors and the high degree of efficiency. integration of the MOSFET by attacking it at
température de l'azote liquide.temperature of the liquid nitrogen.
Par ailleurs, contrairement à l'inverseur de structuré CMOS, l'inverseur de structure E/D peut donner un circuit intégré à vitesse rapide et haute densité en utilisant un simple procédé de fabrication et un petit Moreover, unlike the CMOS structured inverter, the E / D structure inverter can give a high speed and high density integrated circuit using a simple manufacturing process and a small
nombre de MOSFET.number of MOSFETs.
Par ailleurs, comme le circuit intégré à- MOSFET selon la présente invention peut fonctionner à la fois à température ambiante et à la température de l'azote liquide, lors de la construction d'un système, il est possible de vérifier son fonctionnement à la température ambiante pour l'échange de pastilles et planches défectueuses, de vérifier le fonctionnement normal du système et ensuite de dériver le système ayant la plus haute performance de fonctionnement à la température de Furthermore, since the MOSFET integrated circuit according to the present invention can operate both at room temperature and liquid nitrogen temperature, during the construction of a system, it is possible to verify its operation at the same time. room temperature for the exchange of defective pellets and boards, to check the normal operation of the system and then to derive the system having the highest performance of operation at the temperature of
l'azote liquide.liquid nitrogen.
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