Brevet FR2008599A1 — publié le 19700123

La présente invention se rapporte d'une manière générale à des dispositifs semi-conducteurs à effet de champ,et en particulier à des transistors à effet de champ commandés par une jonction PN dans lesquels une couche intermédiaire d'une matière semi-conduc-5 trice de faible résistivité est disposée"3ntre un substrat semiconducteur -et la région de grille inférieure d'une couche épitaxiale qui est disposée sous la partie formant canal de ce transistor. La couche intermédiaire ou couche "noyée" fournit des porteurs de courant supplémentaires pour la grille inférieure et empêche 10 l'épaisseur de la région d'arrêt de la jonction 3?ÏT entre cette grille inférieure et le canal d'être limitée lorsque cette région d'arrêt atteint le fond de la couche épitaxiale.. Le transistor à effet de champ de la présente invention est particulièrement utile dans les circuits intégrés monolithiques 15 comprenant des transistors bipolaires ainsi que de tels transistors à effet de champ, du fait que la couche noyée peut être réalisée dans ces deux types de transistors. Dans le mode de réalisation préférée du transistor à effet de champ,suivant la présente invention, on utilise une région de grille supérieure et une région de 20 grille inférieure sur les côtés opposés du canal. De plus, le principe de la couche noyée selon la présente invention peut également être appliqué à un transistor à effet de champ n'utilisant qu'une région de grille inférieure et aucune grille supérieure. Ce transistor à effet de champ"sans dessus" n'utilise qu'une seule 25 jonction PN pour commander le canal et dans certains cas, il peut ne pas être possible de couper complètement le courant s'écoulant de la source vers le drain dans le canal , du fait de la limitation d'étalement de la région d'arrêt de la jonction de grille inférieure qui empêcherait un tel transistor d'être utilisé comme 30 commutateur. Cependant, la couche noyée permet d'éviter cette difficulté. On a utilisé auparavant des couches noyées dans les transistors bipolaires, mais pour une raison entièrement différente de celle pour laquelle ils sont utilisés dans les transistors à 35 effet de champ. • suivant la présente invention. C'est ainsi, que des transistors bipolaires du type plan, dans lesquels les contacts pour l'émetteur, la base et le collecteur se trouvent tous sur la 69 15741 2 - 2008599 même surface du transistor,présentent une résistance de saturation élevée dans la région du collecteur , du fait de la longueur accrue du trajet de courant du collecteur. Une couche noyée est formée en dessous du collecteur afin de présenter une faible résistance en et pour. 5 parallèle avec la résistance apparente de la région du collecteur/ faire diminuer cette résistance de saturation. Cependant, la couche noyée n'est pas utilisée pour résoudre les problèmes posés par la limitation de l'étalement de la région d'arrêt de la jonction PU, comme cela est/cas dans les transistors à effet de champ selon 10 la présente invention. En conséquence, la présente invention a pour but de fournir : - un dispositif semi-conducteur à effet de champ utilisant ■une couche noyée en une matière semi-conductrice de faible résistivité ; 15 - un transistor à effet de champ.perfectionné commandé par une jonction PN comportant une couche intermédiaire en une matière semi-conductrice , de faible résistivité, formée en dessous de la région de grille inférieure d'une couche épitaxiale disposée sous la région du canal,afin de donner à ce transistor une résis-20 tance de sortie élevée, et une résistance de grille en série plus faible; - un circuit intégré monolithique comprenant des transistors à effet de champ et des transistors bipolaires dans lesquels une couche noyée d'une matière semi-conductrice."de faible résistivité 25 est formée dans ces transistors ; - un transistor à effet de champ perfectionné ■ commandé par e. une jonction PN comportant une couche noyée d'une matière semi-conductrice de faible résistivité qui fournit des porteurs de courant supplémentaires dans la région de la grille inférieure,afin d'é-30 viter de limiter l'étalement en épaisseur de la région d'arrêt des charges spatiales qui entoure la jonction de la grille inférieure,produit" par des tensions de polarisation inverse accrues. D'autres avantages et caractéristiques -de la présente inven-35 tion. ressortiront de la description détaillée qui va suivre, .. faite en.- regard du dessin annexé, qui donne à titre explicatif," /, f-f-K. " ,5"' , 2008599 mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. Sur ce dessin : La figure 1 est une coupe verticale d'une partie d'un cir-5 cuit intégré utilisant un transistor à effet de champ, suivant la présente invention ; la figure 2 est une vue partiellement schématique d'une coupe verticale d'un transistor à effet de champ qui n'utilise pas la couche noyée selon la présente invention et représentant l'étale-10 ment de la région d'arrêt qui entoure la jonction de la grille inférieure ; et la figure 3 est une vue partiellement schématique semblable à celle de la figure 2 représentant l'étalement de la région d'arrêt dans le transistor de la figure 1. 15 Gomme on le voit sur la figure 1, un mode de- réalisation d'un transistor à effet de champ selon la présente inventicfn est formé sur un substrat 10 d'une matière semi-conductrice, comme élément d'un circuit intégré monolithique comprenant une série de transistors à effet de champ et une série de transistors 20 bipolaires (non représenté ) formés sur ce substrat. Le substrat 10 peut être en silicium de type P et présentant une résistivité de 10 ohms- centimètres. Une couche 12 d'une résistivité sensiblement uniforme formée d'une matière semi-conductrice de type H" dont la résistivité est de 1 ohm-centimètre, est formée sur 25 la surface supérieure du substrat, de n'importe quelle manière appropriée, telle que par exemple par croissance épitaxiale, avec une impureté de dopage de phosphore ou de tout autre dopant de type N. En dessous de la couche épitaxiale 12 se trouve une couche intermédiaire 14 de matière semi-conductrice de type N+ 30 dont la résistivité est inférieure à celle de la couche épitaxiale. Par suite, la couche intermédiaire 14 présente une. résistance pelliculaire d'environ 20 ohms par carré qui est plus faible que la résistance pelliculaire de la couche épitaxiale qui est d'environ 2000 ohms par carré pour une épaisseur de 5 microns. Cette région 35 intermédiaire, appelée quelquefois une"couche noyée", peut être formée en faisant diffuser de l'antimoine comme-matière de dopage dans la surface du substrat 10, avant d'y faire croître la couche 69 15741 4 2008599 épitaxiale 12. Une région de canal 16 d'une matière semi-conductrice de type P est formée en diffusant une impureté de dopage constituée par du "bore dans la couche épitaxiale,pour obtenir une résistance 5 pelliculaire élevée d'environ 100 à 4000 ohms par carré,. La région 16 du canal est superposée à la couche noyée 14 et elle est espacée de cette dernière par une partie de grille inférieure 18 de la couche épitaxiale qui forme une jonction PN inférieure 20 avec cette région du canal. Deux contacts ohmiques d'une matière de type 10 P, comprenant une source 22 et un drain 24, sont formés aux extrémités opposées du canal de type P en diffusant du bore dans le canal pour donner à ces contacts une résistance pelliculaire d'environ 200 ohms par carré. Une région de grille supérieure 26 d'une matière semi-conductrice de type N+ est formée entre la 15 source et le drain en faisant diffuser du phosphore dans le canal 16 pour donner à cette grille supérieure une résistance pelliculaire d'environ 8 à 10 ohms par carré. En même temps, un contact de grille inférieure 27 en une matière semi-conductrice de type N+ est formé dans la couche épitaxiale 12 pour former un contact 20 ohmique pour la région de grille infé rieure 18. La région de grille supérieure 26 forme une jonction PN supérieure avec le canal 16. De cette manière, le transistor à effet de champ de la figure 1- comprend à la fois une jonction de grille supérieure 28 et une jonction de grille inférieure 20 sur les côtés opposés 25 du canal pour obtea-ir le fonctionnement par effet de champ. Cependant, il peut être souhaitable de supprimer la région de grille supérieure 26 de permettre de disposer la source 22 plus près du drain 24 et d'obtenir une réponse de fréquencesplus élevée. Dans un tel transistor à effet de champ"sans dessus" , 30 la couche noyée 14 devient encore plus importante , du fait que seule la jonction de grille inférieure 20 existe pour assurer le fonctionnement par effet de champ. Une configuration de grille d'isolement 30 en une matière semi-conductrice de type P+ présentant une résistance pelliculaire 35 de 7 à. 8 ohms par carré est formée en diffusant complètement du bore à travers la couche épitaxiale 12 dans le substrat 10 afin 69 15741 de former des transistors à-effet de champ et des transistors bipolaires sur des régions isolées séparées de la couche épitaxiale. De cette manière, les jonctions PU" formées par le substrat 10 et la grille d'isolement 3Q&vec la couche épitaxiale 5 isolent électriquement les transistors les uns des autres. Une série de contacts métalliques 32 en aluminium sont formés sur la source 22, le drain 24, la grille supérieure 26 et le contact 27 de la grille inférieure, de sorte que ces contacts se trouvent dans le même plan, les uns les autres. La surface restante de la 10 couche épitaxiale 12 est revêtue d'une couche isolante (non représentée) telle que de l'oxyde de silicium, d'une manière classique. Cette couche d'oxyde peut être utilisée comme cache de diffusion pour des techniques de cache par réserve photographique et d'attaque chimique classiques. 15 Du fait que la région 18 de la grille inférieure présente une épaisseur qui est environ la moitié de celle de la couche épitaxiale 12, sa résistance pelliculaire est d'environ 4000 ohms par carré. Comme indiqué précédemment, la couche noyée présente une résistance pelliculaire d'environ 20 ohms par carré. Par sui-20 te, on voit que la couche noyée 14 présente une résistance pelliculaire extrêmement faible qui est environ le 200ème de la résistance pelliculaire de la région 18 de la grille inférieure. Cette résistivité est due à une concentration beaucoup plus grande des porteurs de courant dans la couche noyée 14 que dans la région de 25 la grille inférieure, ce qui est important pour les raisons décrites ci-après, en liaison avec les figures 2 et 3. Comme on le voit sm^a figure 2, les transistors à effet de champ précédents qui n'utilisent pas de couche noyée suivant la présente invention peuvent présenter une résistance de sortie 30 relativement faible par le fait qu§ie substrat 10' limite l'étalement en épaisseur de la région d'arrêt qui entoure la jonction PN 20' formant la grille inférieure de ce transistor. On a utilisé sur la figure 2 des références numériques semblables à celles utilisées sur la figure 1 pour désigner des éléments semblables. 35 De plus, pour des raisons de clarté, on n'a représenté que la région d'arrêt de la jonction 20' de la grille inférieure, du fait que la jonction de grille supérieure 28' n'est pas soumise à la 69 15741 difficulté présentée par la limitation d'étalement de la couche d'arrêt, la région de grilla supérieure 26'étantfen une matière semi-conductrice de type ïï+ de faible résistance. Les limites 34. et 36 d^&a région d'arrêt de la jonction de grille in- 5 férieure 20', pour un^faible tension de polarisation inverse VnT. u-D appliquée entre la grille 18' et le drain 24', sont représentées en pointillé. De ce fait, l'épaisseur maximale de la région d'arrêt dont les limites sont 34 et 36 présente une valeur lorsque la limite inférieure 36 atteint le substrat 10'. Un ac-10 croissement supplémentaire de la tension de polarisation inverse Vçrp modifie la forme de la région d'arrêt suivant celle qui se trouve à l'intérieur des lignes de limite er^raits mixtes 38 et 40. Cependant, l'épaisseur maximale X2 de cette région d'arrêt à haute tension est la même que l'épaisseur de la région d'arrêt 15 à faible tension, du fait que la limite inférieure 40 ne peut s'allonger pour dépasser le substrat 10' et que la limite supérieure 38' es^galement limitée d'une façon correspondante. Cette limitation de l'étalement d'épaisseur de la région d'arrêt de la figure 2 est due au fait que la région de grille 20 inférieure 18' de la couche épitaxiale'se trouve rapidement dé- de. pourvue de porteurs de courant,par suite faa. faible concentration en impuretés de dopage. Lorsque tous les porteurs de courant sont épuisés dans la partie de grille inférieure 18', la limite inférieure 40 de la région d'arrêt atteint le substrat 10' et cesse de 25 s'étaler. Il en résulte que l'épaisseur de cette région d'arrêt cesse d'augmenter lorsque la tension de polarisation inverse augmente . Il convient dg&Loter que la charge totale dans la région d'arrêt doit être la même sur les deux côtés de la jonction 20', de sorte que la limite supérieure 38 cesse également de s'étaler 30 lorsque la limite inférieure 40 atteint le substrat. Il s'ensuit que tout autre effet de champ pour des tensions de polarisation inverses plus éle-wées n'est obtenu qu'à la jonction de grille supérieure 28'. Il en résulte que la résistance de sortie-du transistor à effet de champ est considérablement abaissée par cette 35 limitation d'étalement de la région d'arrêt au voisinage de la jonction de grille inférieure 20'. 69 15741 Comme on le voit sur la figure 3, la couche noyée 14 à faible résistance, utilisée dans le transistor à effet de champ salon l'invention, permet de résoudre ce problème, la couche noyée 14, qui se trouve en dessous de la partie de grille infé-5 rieure 18 de la couche épitaxiale, présente une concentration plus élevée d'impuretés de dopage et elle fournit des porteurs détourant supplémentaires permettant d'agrandir la région d'arrêt. Il en résulte que la région d'arrêt qui entoure la jonction PN 20 peut s'étaler au-delà de la partie inférieure de la couche 10 épitaxiale, dans la région 14 de la couche noyée du substrat. Par suite, comme on le voit sur la figure 3, il se forme une région d'arrêt comportant des limites 42 et 44 sur les côtés opposés de la jonction PN 20, avec une épaisseur maximale Y^ lorsque la tension de polarisation inverse entre la grille et le drain est 15 suffisamment augmentée pour faire atteindre par la limite inférieure 42 le fond de la couche épitaxiale 12. Toute poursuite de I accroissement de la tension de polarisation inverse fait éta 1er la région d'arrêt jusqu'à une région d'épaisseur maximale supérieure Y2 présentant des limites 46 et 48. Ceci est possible, 20 du fait que la limite inférieure 48 de cette région d'arrêt pénètre dans la couche noyée 14. D'après ce qui précède, on peut voir que le fonctionnement à effet de champ de la jonction de grille inférieure 20 se poursuit après que sa région d'arrêt a atteint le fond de la couche 25 épitaxiale 12, à la différence des transistors à effet de champ antérieurs tels que celui représenté sur la figure 2. Ceci donne au transistor à effet de champ selon la présente invention une ré sistance de sortie plus élevée et une résistance de grille en série plus faible. De plus, dans le cas du transistor Èjfeffet de 30 champ " sans dessus ", cette disposition permet de couper le passage d^bourant entre la source et le drain, du fait que la limite supérieure 46 de la région d'arrêt peut atteindre le sommet du canal, de sorte que cette région d'arrêt s'étend entièrement en travers du canal. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. 69 15741 2008599 - REVSHDICATIOMS - . 1 - Dispositif à effet de champ commandé par une jonction PU", comprenant un substrat (10) de matière semi-conductrice d'un premier type de conductivité, une couche (12) d'une résistivité sen- 5 siblement uniforme en une matière semi-conductrice de type de conductivité opposée, formée sur le substrat (10) et comprenant une partie de grille inférieure (18), une région de canal (16) du premier type de conductivité formée dans la couche de résistivité uniforme (12) sur la partie de grille inférieure (18) et formant 10 avec elle une grille de jonction PN (20), un contact de source (22, 32) et un contact de drain (24, 32) disposés $&es positions relatives espacées sur la région du canal (16) et un contact de grille (27, 32) formé sur la couche de résistivité uniforme (12) pour la partie de grille inférieure (18), dispositif à effet de 15 champ caractérisé en ce qu'il comprend une région intermédiaire (14) d'une matière semi-conductrice du type de conductivité opposée formée sur la surface du substrat (10) entre la partie de grille inférieure (18) de la couche de résistance uniforme (12) et comportant une jonction commune avec cette partie de grille, la 20 région intermédiaire (14) présentant le même type de conductivité que la partie de grille inférieure (18), mais présentant une résistivité plus faible et une plus grande concentration d'impuretés de dopage que ladite partie de grille inférieure. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en 25 ce que la couche de résistivité uniforme (12) est une couche épi= taxiale et que la région intermédiaire (14) se trouvant sous cette couche épitaxiale est diffusée dans le substrat (10) pour former une couche noyée. 3 - Transistor à effet de champ suivant la revendication 2, 30 caractérisé en ce qu'il comprend également une région de grille supérieure (26) en une matière semi-conductrice dudit type de conductivité opposée formée dans la couche épitaxiale (12) au-dessus de la région du canal (16) et formant une autre grille de jonction PN (28) avec la région du canal, un contact de grille (32) étant 35 formé sur cette région de grille supérieure. 4 - Transistor suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la région de grille supérieure (26) présente sensiblement 69 15741 2008599 la même résistivité que ladite région intermédiaire (14). 5 - Transistor à effet de champ suivant la revendication 1, caractérisé eijfce que les contacts (32) de la source, du drain et de la grille se trouvent sensiblement dans le même plan, les 5 uns par rapport aux autres. 6 - Transistor à effet de champ suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la région du canal (16) est en une matière semi-conductrice d'une résistivité élevée et que les contacts de la source et du drain comprennent chacun une région de 10 contact (22, 24) en une matière semi-conductrice d'une résistivité plus faible de même type de conductivité, pour former un contact ohmique avec ladite région du canal. 7 - Transistor à effet de champ suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat (10) est en silicium et que 15 la région intermédiaire (14) est formée ei)&iffusant comme matière de dopage de l'antimoine dans la surface du substrat en silicium. 8 - Transistor suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la couche de résistivité uniforme (12) est formée par croissance épitaxiale du substrat en silicium (10) avec une impureté de 20 dopage formée par du phosphore après avoir formé la région intermédiaire . 9 - Circuit intégré monolithique comprenant une série de transistors à effet de champ formés sur un substrat (10) suivant la revendication 1. 25 10 - Circuit intégré suivant la revendication 9» caractéri sé en ce qu'il comprend également des transistors bipolaires formés sur le substrat (10). 11 - Circuit intégré suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les transistors bipolaires sont également pourvus 30 de régions intermédiaires (14) formant des couches noyées en dessous de parties de la couche de résistivité uniforme (12) et servant de collecteurs pour les transistors bipolaires.