Brevet FR2012807A1 — publié le 19700327

La présente invention se rapporte à un transistor à effet de champ comprenant un corps en matériau semi-conducteur comportant une base, une zone enfouie de résistivité relativement faible, ayant un type de conductivité et recouvrant une partie de 5 la base, et une couche de résistivité relativement élevée, ayant le premier type de conductivité et recouvrant la base et la zone enfouie de telle sorte que la surface de la couche soit:une surface principale du corps de matériau semi-conducteur. Un transistor à effet de champ à jonctiore est un dispo-10 sitif unipolaire possédant une voie de courant semi-conductrice, appelée canal, dont la conductance est modulée en faisant varier la surface transversale.effective du canal. Cette variation de la surface transversale du canal est effectuée en disposant le canal à proximité d'une ou plusieurs jonctions PN en sorte que lorsque 15 les jonctions sont polarisées en sens inverse, des régions de dé-plétion, c'est-à^dire des régions dans lesquelles se produit un appauvrissement en charges d'espace, s'étendent dans le canal à partir de ces jonctions. Lfétat extrême dans lequel la surface transversale du 20 canal est réduite à zéro en un certain point de sa longueur est appelé étranglement. Comme le canal est alors effectivement remplacé par une région de déplétion, il n'y a plus de porteurs de charges libres disponibles pour assurer la conduction, flans l'état d'étranglement, le canal présente donc une impédance relativement 25 élevée au passage du courant. Les connexions électriques aux extrémités opposées d'un canal sont appelées connexions de source et de drain. Etant donné qu'un canal peut etre bidirectionnel, c'est-à-dire qu'il ne possède pas de sens préférentiel pour le passage du courant," la source et 30 le drain sont en fait interchangeables. En raison de la modulation de la conductance, un transistor à effet de champ est utile comme amplificatèur ou comme élément à impédance contrôlée. Il est souvent avantageux de réaliser à la fois les 35 fonctions d'un dispositif unipolaire et d'un dispositif bipolaire dans une structure semi-conductrice donnée, comme par exemple dans la technique des circuits intégrés. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3.349.300 du 24 octobre 19^7 décrit un amplificateur différentiel à effet de champ en circuit intégré. 69 16715 2 2012807 Dans les descriptions de l'état de la technique consacrées aux transistors à effet de champ à jonctionspour circuits intégrés l'attention est concentrée principalement sur des dispositifs dans lesquels le canal a sa longueur disposée parallèlement 5 à la surface du plan principal d'Un corps de semi-conducteur-. De plus/ les techniques connues*-concernaient principalement la détermination de la surface transversale d'Un canal ayant un premier type de conductivité par le positionnement de deux ou plusieurs .zones limites ayant toutés un second type de 10 conductivité. En raisonnant en deux dimensions, par exemple, la largeur transversale d'un canal ayant le premier type de conductivité est déterminée par la distance entre deux zones limites formées séparément et ayant lé second type de conductivité. Une structure connue comprend une zone limite enfouie, de type P, 15 formée entre une base de type N et une couche epitaxiale de type N. Une seconde zone limite, de type i5, est formée sur la première zone de type P. La partie de la couche dé type N, qui est comprise entre les deux zones de type P constitue le canal. Ainsi qu'il est bien connu, la transconductance et d'au-20 très paramètres importants d'un transistor à effet de champ à jonctions varient en proportion directe avec la surface transversale effective du canal. Le degré de contrôle sur. la tolérance en production de chacun de ces paramètres est limité par le ^degré de réglage da3a s-rfoce transversale du canal. Celle-ci est déterminée par la position des 25 zones limites multiples. Etant donné que chacune des zones limites est habituellement formée au cours d'une étape de traitement séparée, les traitements thermiques associés aux stades subséquents affectent la forme et la position des zones formées précédemment. Dans les meilleures conditions même, un contrôle satisfaisant 30 . des dimensions du canal est difficile obtenir. En résumé, un problème dans ce domaine est le degré de contrôle que l'on a sur la surface transversale dû- canal:d'un transistor à effet de champ, un autre problème^ étant dë procurer des. éléments à impédance élevée, de petites dimensions. De tels 35 éléments soit particulièrement ^souhaitables dans les 'circùits* ' intégrés à semi-conducteurs. Ces problèmes sont résolus selon l'invention en procurant une zone ayant un type de conductivité approprié, sous la forme d'un cyclindre creux disposé verticalement sur une partie au moins 69 16715 3 2012807 de la zone enfouie et s'étendant dans la couche à résistivité élevée à partir de la surface principale afin de réaliser l'électrode de commande d'un transistor à effet de champ du type à jonctions et d'isoler une partie de la couche en vue de réaliser lé canal 5 du transistor. Dans la structure ci-dessus le degré de contrôle est amélioré en délimitant le canal par la seule jonction PN cylindrique résultante et l'on obtient une impédance élevée voulue qui peut être particulièrement utile dans les circuits intégrés. 10 On verra que la zone enfouie à faible résistivité assure une terminaison physique et électrique à une extrémité du "canal. Comme on le montrera plus loin, il est souvent avantageux de placer le dispositif au voisinage d'autres dispositifs d'un type similaire et/ou au voisinage de transistors bipolaires dans un circuit inté-15 gré de sorte que les canaux des dispositifs à effet de champ et les collecteurs des dispositifs bipolaires peuvent se partager une zone enfouie commune. ' Etant donné que la surface principale d'une plaquette de circuit intégré est habituellement considérée comme étant horizon-20 taie, la longueur du canal selon 1*invention est envisagée dans la direction verticale. Un dispositif selon l'invention sera donc appelé transistor à effet de champ à jonctions vertical. Dans la description qui va suivre, à moins quTil en soit fait mention autrement, le mot cylindre sera utilisé dans son âc-25 ception mathématique générale. En particulier, le cylindre ainsi considéré n'est nullement limité à des cylindres circulaires. L'invention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard des dessins joints dans lesquels: 30 - la figure 1 est une coupe transversale isométrique d'un transistor à effet de champ à jonctions vertical; ' " • - la figure 2 est une. coupe transversale isométrique d'un transistor selon l'invention placé au voisinage d'un transitor. bipolaire et partageant avec celui-ci une zone enfouie commune; 35 « les figures 3 et 4 sont des schémas d'applications avan tageuses du dispositif selon l'invention. La figure 1 illustre schématiquement une première forme de réalisation d7un transistor à effet de champ selon l'invention. Une partie 11 d'une plaquette de silicium semiconducteur comprend 40une base monocristalline 12 de type P. La base 12 peut avoir une 69 16715 4 201280*7 épaisseur de l'ordre de 76,2 à 254 microns et une résistivité de l'ordre de 5 ohms-centimètres. Sur la base 12 se trouve une zone enfouie 13 en un matériau de type N de conductivité relativement élevée, formée par dif-5 fusion localisée d'antimoine jusqu'à une profondeur de 3 microns environ et jusqu'à ce qu'on ait obtenu une concentration superfi-20 cielle de 10 atomes d'antimoine environ par centimètre carré. Au-dessus de la base 12 et de la zone enfouie 13 se trouve une couche 14 sensiblement uniforme de type N à conductivité-10 relativement faible. La couche 14 est habituellement formée par un processus de croissance par épitaxie bien connu jusqu'à une épaisseur de 5 à 10 microns et avec une résistivité d'environ 1 ohm-cen-timètre. Une zone 17 de conductivité de type P ayant la forme 15 d'un cylindre creux est formée dans la couche épitaxiale 14 a partir de la surface de la couche vers la zone enfouie 13. La zone cylindrique 17 est avantageusement formée par diffusion d'une impureté accepteuse d'électron, par exemple du bore, à travers une ouverture de forme annulaire pratiquée dans un masque de diffusion 20 d'oxyde de silicium. La concentration superficielle résultante dans 18 la zone 17 est habituellement de 10 atomes par centimètre carré. Ce procédé de diffusion en plan est bien connu et ne sera pas décrit davantage dans le présent mémoire. La zone cylindrique 17 entoure une partie de matériau 25 épitaxial en forme de tige, formant ainsi un canal 15 dont la section est complètement définie par une zone diffusée cylindrique. On voit qu'une jonction PN cylindrique 18 est formée entre le canal 15 et la zone 17« La jonction 18 peut être polarisée en inverse en appliquant une tension telle que la zone 17 soit rendue négative par rapport à la zone de canal 15. Avec une polarisation inverse une région de déplé-tion de chargesd'espace s'étend dans le canal à partir de la jonction 18, modifiant ainsi la section effective du canal. Par suite de cette modification la zone 17 est appelée zone d'élec-35 fcrode de commande. On peut montrer que la conductance d'un canal cylindrique circulaire est affectée d'une façon plus importante par une modification donnée de la tension de l'électrode de commande que la conductance d'un canal ayant une autre forme. Pour cette 40 raison il est souvent souhaitable d'avoir un canal de section sen- 69 16715 5 2012807 siblement circulaire. Toutefois, les canaux cylindriques de diverses autres formes sont fabriqués aussi aisément simplement en faisant varier la forme de l'ouverture pratiquée dans le masque d'oxyde et au-travêrs de laquelle les impuretés sont diffusées., 5 ' Comme le montre la figure 1?dans la surface-de la zone 15 se trouve diffusée une zone peu profonde 16 de conductivité de type N élevée destinée à faciliter la fabrication d'une connexion ohmique sur la zone de canal de manière à servir soit de borne de source, soit de borne de drain pour le-canal. La zone 16 est habi-10 tuellement formée par diffusion d'impureté de phosphore jusqu'à une concentration superficielle d'environ 10 atomes par centimètre carré. On voit également sur la figure 1 qu'une zone 19 de conductivité de type N élevée s'étend jusqu'à la zone enfouie 13 15 à partir de la surface de la couche épitaxiale 14 afin de faciliter la réalisation d'une connexion électrique.de faible résistance sur la zone enfouie. La zone enfouie v13 limite matériellement et électriquement une extrémité du canal 15 et constitué par conséquent l'autre borne de source ou de drain du transistor. 20 ' Il importe de souligner qu'il faut prendre soin lors qu'on forme la zone 17 d'empêcher celle-ci de pénétrer dans la zone 13. Toute pénétration affecte le trajet électrique à faible résistance entre la zone 19 et la partie de la zone enfouie qui limite le canal 15. 25 Les éléments conducteurs 20, 21 et 22 sont des repré sentations schématiques de connexions électriques avec les extrémités opposées du canal 15 et avec la zone 17 respectivement. On voit qu'une variété de montages peut être prévue pour réaliser un contact électrique réel avec les zones de semi-30 conducteur et pour réaliser l'interconnexion de dispositifs afin de former un circuit intégré. Un procédé particulièrement avantageux consiste à utiliser la technique des conducteurs-poutres. La figure 2 illustre une deuxième forme de réalisation de l'invention. Un transistor à effet dé champ à jonctions 35 vertical y est disposé à proximité d'un transistor bipolaire et partage avec celui-ci une même zone enfouie 33• Une base 32, de type P, à une épaisseur d'environ 76,2 à 254 microns et une résistivité d'ënviron 5 ohms-centimètres. Au-dessus d'une partie de la base 32 se trouve une zone diffusée 40 33 peu profonde constituée d'un matériau de conductivité de type N 69 16715 6 2012807 relativement élevée. Au-dessus de la base 32 et de la zone enfouie 33 se trouve une couche sensiblement uniforme 34 constituée d'un matériau de type N à résistivité relativement élevée. La couche 34 est habituellement formée par un procédé de croissance par épita-5 xie bien connu jusqu'à ce qu'on ait obtenu une épaisseur d'environ 5 à 10 microns et avec une résistivité d'environ 1 ohm-centimètre. Comme le montre la figure 2, la zone de séparation 35 s'étend à travers la couche épitaxiale 34 de manière à entourer et isoler complètement une zone de matériau épitaxial de type N. La 10 zone 35 est habituellement formée par diffusion d'impuretés de bore jusqu'* ce qu'on ait obtenu une concentration superficielle 1Q d'environ 5 x 10 7 atomës par centimètre carré. Comme dans la première forme de réalisation décrite plus haut, on forme une zone d'électrode de commande cylindrique 15 37 de type P à partir de la surface de la couche épitaxiale 34 vers la zone enfouie 33. Dans cette deuxième forme de réalisation, la zone cylindrique 37 a une section sensiblement circulaire et entoure une partie 36 du matériau épitaxial afin de réaliser un canal pour le transistor à effet de champ à jonctions vertical. 20 La zone 37 peut avoir un diamètre intérieur de mois de 25,4 microns et un diamètre extérieur de moins de 76,2 microns. Une zone de type N fortement dopée 38 est formée à la surface dé la zone du canal 36 afin de permettre la réalisation facile d'une connexion électrique. 25 Une zone 39 de type P est disposée à une certaine dis tance de la zone cylindrique 37 afin de réaliser la base d'un transistor bipolaire adjacent, et une zone de type N fortement dopée 40, logée à l'intérieur de la zone 39 > réalise une zone d'émetteur pour le transistor bipolaire. 30 Une.zone de type N fortement dopée 41 est disposée à une certaine distance à la fois du transistor bipolaire et du transistor à effet de champ unipolaire et s'étend à partir de la surface de la couche épitaxiale 34 jusqu'à la zone enfouie 33, réalisant ainsi une connexion électrique de faible résistance avec 35 la zone enfouie. Il est clair que plusieurs transistors à effet de champ à jonctions verticaux et/ou transistors bipolaires peuvent être fabriqués à l'intérieur d'une même zone isolée et que, d'autre part, tous ces transistors peuvent partager une même zone enfouie à faible résistance. 2012807 Bien que la description qui précède se soit limitée au cas de transistors à effet de champ associés à des transistors bipolaires de type NPN, il est bien évident que les types de semi-conductivité peuvent être inversés pour des applications dans les-5 quelles ces transistors à effet de champ seraient associés à des dispositifs de type PNP. Les figures 3 et 4 illustrent deux des nombreux circuits que permet de réaliser avantageusement l'invention. La figure 3 est un schéma d'un circuit logique dans lequel un tran-10 sistor à jonctions 52, de type NPN, a un émetteur connecté à une source de tension continue négative i-V) et un collecteur connecté à une source de tension oontinue positive (+V) à travers une résistance 55. Le collecteur du transistor 52 est également connecté à une borne source-drain de deux transistors à effet de champ à 15 jonctions verticaux 56 et 57, chacun ayant un canal de type N. Les bornes des électrodes de commande des transistors à effet de champ 56 et 57 sont connectées à l'émetteur du transistor 52. L'autre borne source-drain du transistor à effet de champ 56 est connectéeà la base d'un deuxième transistor NPN 20 53, l'autre borne source-drain du transistor à effet de champ 57 étant connectéeà la base d'un troisième transistor NPN 54. Les collecteurs des transistors 53 et 54 sont connectés chacun à la source de tension continue positive à travers une résistance 58 et 59 respectivement. Les émetteurs des transistors 25 53 et 54 sont tous deux connectés à l'émetteur du transistor 52. Lorsque le circuit est alimenté les transistors à effet de champ 56 et 57 empêchent des interruptions de courant et la saturation excessive en limitant le courant de base disponible aux transistors 53 et 54 lasque le transistor 52 se trouve bloqué. 30 D'une manière plus spécifique, si les transistors à effet de champ 56 et 57 sont remplacés par un conducteur à faible résistance, toute désadaptation entre les tensions émetteur-base du transistor 53 et du transistor 54 aura pour effet que le transistor ayant la tension émetteur-base la plus faible tirera plus de cou-35 rant de la résistance 55 que l'autre transistor. Le premier transistor sera donc dans un état de saturation plus avancé, et si la désadaptation est suffisamment importante, elle peut empêcher l'un des deux transistors d'entrer en conduction. Avec les transistors à effet de champ 56 et 57 comme 40 montré sur la figure 3, cependant, les polarités sont telles que ; « 69 16715 69 16715 8 2012907 lorsque le transistor 52 est bloqué les transistors à effet de champ 56 et 57 présentent une impédance relativement élevée et limitent donc le courant de base des transistors 53 et 54. En conséquence, lorsque le transistor 52 est rendu 5 conducteur, c'est-à-dire lorsqu'il est saturé, en appliquant une tension convenable à sa base, les polarités sont telles que les transistors à effet de champ 56 et 57 constituent des trajets à résistance relativement faible entre les bases des transistors 53 et 54 et le collecteur du transistor 52. Cela est souhaitable 10 par le fait que la vitesse avec laquelle les transistors 53 et 54 peuvent être bloqués est directement limitée par ls rapidité avec laquelle la charge des porteurs minoritaires emmagasinés peut être éliminée des bases de ces transistors. On voit qu'un avantage principal de l'utilisation de 15 transistors à effet de champ à jonctions verticaux plutôt que de résistances dans le circuit illustré sur la figure 3 est la possibilité de régler leur impédance au moyen de l'électrode de commande. Un autre avantage est que dans les circuits intégrés 20 dans lesquels l'encombrement minimum est habituellement un facteur capital, un transistor à effet de champ à jonctions vertical peut procurer une résistance plus élevée dans une zone plus petite qu'une résistance diffusée fabriquée selon la technique bien connue des circuits intégrés. 25 D'une manière similaire, et peut être d'une manière surprenante, un transistor à effet de champ à jonctions vertical peut procurer une résistance plus faible dans une zone plus petite qu'une résistance diffusée dans la pratique actuelle. Comme le sait l'homme de l'art, une résistance diffusée ayant une valeur du mène 30 ordre de grandeur que la valeur de la résistance de feuille de la couche semi-conductrice dans laquelle elle est réalisée où même inférieure à cet ordre de grandeur, est habituellement agrandie (en largeur et en longueur) afin d'améliorer les tolérances de fabrication de la résistance. Un transistor à effet de champ à jonc-35 tions vertical ayant un canal de 50,8 micronsde diamètre formé dans une couche épitaxiale de 12,7 microns d'épaisseur et ayant une résistivité de 1 ohm-centimètre présente cependant une impédance de canal de moins de.65 ohms avec une polarisation nulle de l'électrode de commande. 69 16715 9 2012807 La figure 4 illustre une variante du circuit selon la figure 3. La'différence entre le circuit 51 sur la figure 3 et le circuit 71 sur la figure 4 est que dans ce dernier un transistor à effet de champ à jonctions vertical 73 est utilisé en lieu 5 et place de la résistance de charge 55 afin de limiter le courant de collecteur du transistor 52A lorsque celui-ci est conducteur. Pour le restant les deux circuits sont identiques et les mêmes références ont d'ailleurs été utilisées sur les deux circuits mais en affectant les références sur la figure 4 d'un suffixe A. 10 Divers autres circuits intégrés peuvent utiliser avan tageusement le transistor à effet de champ à'jonctionsvertical selon l'Invention. Un transistor à effet de champ à jonctions vertical peut par exemple être utilisé dans le circuit d'entrée d'un ampli-15 ficateur opérationnel intégré afin de procurer une impédance élevée si nécessaire. Un transistor à effet de champ selon l'invention peut également être utilisé comme élément d'impédance de charge de diverses manières pour réaliser une impédance élevée pouvant être réglée par la tension de l'électrode de commande. 20 Dans un amplificateur on désire souvent une alimenta tion à courant constant pour les deux polarités de la'source. Dans un amplificateur à circuit intégré comportant tous des transistors NPN, un transistor NPN peut être utilisé en montage emitter-follower afin de fournir un courant constant à partir d'une sour-25 ce de tension de polarité négative mais non à partir d'une source de tension de polarité positive. Dans ce dernier cas, on a déjà utilisé des transistors PNP en montage emitter-follower, Un transistor à effet de champ selon l'invention peut être utilisé pour fournir un courant constant à partir d'une source de tension po-30 sitive afin d'éviter complètement la nécessité d'utiliser des transistors PNP. Cette substitution est souhaitable car la fabrication de transistors bipolaires complémentaires dans un même circuit intégré est relativement difficile à réaliser. 69 16715 10 2012807 REVENDICATIONS. 1.-= Transistor à effet de champ comprenant un corps en matériau semi-conducteur comportant une base, une zone enfouie de résistivité relativement faible, ayant un type de conductivité 5 et recouvrant une partie de la base,et une couche de résistivité relativement élevée, ayant le premier type de conductivité et recouvrant la base et la zone enfouie de telle sorte que la surface de la couche soit une surface principale du corps de matériau semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comporte une zone (17, 37) 10 ayant un second type de conductivité, ayant la forme d'un cylindre creux disposé verticalement sur une partie au moins de la zone enfouie et s'étendant dans la couche à résistivité élevée (14, 34) à partir de la surface principale afin de réaliser l'électrode de commande d'un transistor à effet de champ à jonctions et d'enfermer 15 une partie (15, 36) de la couche en vue de réaliser le canal du transistor. 2.- Transistor à effet de champ selon la revendication! , caractérisé en ce qu'il comporte des connexions électriques (20, 21) aux extrémités opposées du canal et de la zone consti- 20 tuant l'électrode de commande. 3.-= Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps est constitué de silicium, en ce que la zone enfouie (13, 33) a une conductivité de type N, et en ce que la couche (14, 34) est épitaxiale avec la partie de 25 base (12, 32) et a une résistivité uniforme. 4.~ Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone cylindrique (17, 37) formant l'électrode de commande s'étend entièrement au travers de ladite couche à partir de la surface jusqu'à la zone enfouie. 30 5.- Transistor à effet de champ selon la revendica tion 1, caractérisé en ce que la zone cylindrique (17, 37) formant l'électrode de commande a une section circulaire. 6.- Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une zone localisée (19, 35 41) ayant le premier type de conductivité, écartée de la zone cylindrique et s'étendant au travers de ladite couche à partir de la surface jusqu'à la zone enfouie afin d'assurer une connexion électrique (21) sur une extrémité du canal. 69 16715 11 2012807 7.- Transistor à effet de champ selon la revendication 1, pour assurer la fonction d'un transistor unipolaire combiné à un transistor bipolaire, le collecteur de ce dernier étant connecté électriquement à une borne source-drain du transistor 5 unipolaire, caractérisé en ce qu'une zone (31) ayant le second type de conductivité est disposée sur une autre partie de la zone enfouie (33) à proximité dé la surface de la couche (34) afin de réaliser la zone d'une base d'un transistor bipolaire, et en ce qu'une zone localisée (40) ayant le premier type de conductivité 10 est logée à l'intérieur de la zone de base (39) afin de réaliser la zone d'émetteur du transistor bipolaire. 8.- Transistor à effet de champ selon la revendica- • tion 7, caractérisé en ce que la partie de base (32) a une conductivité du second type. 15 9-- Transistor à effet de champ selon la revendica tion 8, caractérisé en ce qu'une partie de la couche (34) à résistivité élevée sert de zone de collecteur d'un transistor bipolaire et est connectée électriquement à une extrémité du canal du transistor à effet de champ par l'intermédiaire de la zone enfouie. 20 10.= Transistor comprenant une plaquette semi-conduc trice comportant une base et une couche épitaxiale surjacente, la base contenant une zone enfouie à faible résistivité, caractérisé en ce qu'un transistor à effet de champ à jonctions vertical et un transistor à jonctions bipolaire sont écartés dans la couche 25 épitaxiale, chacun s'étendant entre une surface principale de la plaquette et la zone enfouie, de telle sorte qu'une extrémité du canal du transistor à effet de champ vertical soit connectée électriquement à la zone de collecteur du transistor à jonctions bipolaire par l'intermédiaire de la zone enfouie.