Brevet FR2039285A1 — publié le 19710115

L'invention concerne un dispositif semiconducteur dont le corps semiconducteur comporte une surface pratiquement plane recouverte au moins partiellement d'une couche isolante, une région de substrat, d'un premier type de conduction, affleurant ladite surface, ainsi qu* une^égion caisson, du second type de conduction, afflairant é-galement la même surface et qui dans le corps semiconducteur est entouré entièrement de la région de substrat avec laquelle il forme une jonction p-n servant de séparation électrique entre la région de substrat et le caisson, régions, alors que dans le caisson, on a élaboré au moins une première zone, du premier type de conduction, entourée entièrement du caisson et affleurant ladite surface plane. Les dispositifs semiconducteurs de ce genre sont connus et utilisés souvant dans des circuits intégrés monolithiques par exemple. Ladite première zone est alors par exemple la base d'un transistor; la séparation entre cette base et d'autres composants élaborés à l'extérieur du caisson dans le corps semiconducteur est assurée par la jonction p-n, formée entre le caisson et la région de substrat et polarisée dans le sens de blocage pendant le fonctionnement du dispositif. Il se peut également que ladite première zone, associée au caisson, soit utilisée comme diode, ou qu'elle aj^partienne à d'autres structures semiconductrices. Si lors du fonctionnement d'un tel dispositif, la jonction p-n entre la première zone et le caisson est polarisée en permanence ou temporairement dans le sens de conduction, des porteurs de charge minoritaires seront injectés dans le caisson et peuvent être é-vacués par l'intermédiaire d'un conducteur de connexion élaboré sur ce caisson. Lorsqu'il s'agit par exemple d'un transistor dont le collecteur est formé par le caisson alors que la base du transistor est formée par ladite première zone, la jonction collecteur-base peut, dans des conditions déterminées, être polarisée dans le sens de conduction, un courant de porteurs de charge minoritaires étant injecté dans le collecteur. Une partie importante de ces porteurs de charge minoritaires injectés peut alors parvenir dans la région de substrat, du fait qu'entre le caisson et le substrat, la jonction p-n isolante, polarisée dans le sens de blocage, collecte les porteurs de charge minoritaires diffusés à travers le caisson. Le courant de fuite correspondant à cette situation se perd, de sorte que le rendement du dispositif décroît- et qu'également d'autres difficultés du point de vue du circuit ne sont pas exclues. Le but de l'invention est d'éliminer, ou du moins de 70 14222 2 2039285 réduire dans une mesure considérable, lesdits inconvénients inhérents aux dispositifs connus. L'invention repose entre autres sur l'idée que l'élaboration d'une zone du second type de conduction, dans le caisson à 5 côté de la première zone, peut réduire dans une mesure considérable le courant de fuite précité, causé par l'effet transistor de la structure formée par la première zone, le caisson et la région de substrat. Conformément à l'invention, un dispositif semiconducteur du genre mentionné dans le préambule est donc remarquable en ce 10 qu'à côté de ladite première zone, on a élaboré une seconde zone, du premier type de conduction, affleurant ladite surface plane et dans le corps semiconducteur entourée entièrement du caisson du second typ de conduction, cette seconde zone entourant quasi entièrement la première zone et étant munie d'un conducteur de connexion. 15 Contrairement à ce qui est-le cas avec les disposi tifs connus décrits, dans le dispositif conforme à l'invention, des porteurs de charges minoritaires qui, lors de la polarisation de la jonction p-n entre la première zone et le caisson, sont injectés dans le caisson à partir de la première zone, sont collectées en grande partâe 20 par ladite seconde zone. Ceci est surtout le cas des porteurs de charge qui sont injectés suivant des directions quasi paralllles à la aarface.A -travers le conducteur de connexion établi sur la seconde zone, le courant correspondant peut être fourni à un aitre point du circuit et y être utilement mis à profit. Ledit effet est encore accentué du fait que par sui-25 te du voisinage de la seconde zone, le courant des pjorteurs charge minoritaires injectés latéralement dans la région de collecteur augmente par rapport au courant transversal à la surface. De ce fait, une plus grande partie de la totalité des porteurs de charge injectés est en effet collectée par ladite seconde zone. 30 Pour obtenir un rendement aussi élevé que possible, le transistor latéral, formé par la première zone, la seconde zone et la région intermédiaire formé par le caisson, doit avoir les meilleures propriétés possibles.Conformément à l'invention, un premier mode de réalisation préféré important du dispositif est donc remarquable en ce 35 14222 3 2039285 aussi efficacement que possible les porteurs âe charge minoritaires, ladite distance est avantageusement au maximum égale à la distance de diffusion de porteurs de charge minoritaires dans.le caisson. L'invention est particulièrement intéressante pour des dispositifs dans lesquels un transistor est élaboré dans un caisson isolé. Par l'application de l'invention, une grande partie du courant de fuite vers le substrat peut être capté par la seconde zone, si dans un circuit, ledit transistor occupe une position telle que durant le fonctionnement, la jonction base-collecteur soit polarisée du moins temporairement dans le sens de conduction. Ce courant de fuite peut être évacué par exemple par l'intermédiaire du contact de collecteur. A cet égard, un modè préféré important de l'invention est remarquable en ce qu'à l'intérieur de la première zone, on a élaboré une zone du second type de conduction, entourée entièrement de la première zone, affleurant la surface et formant l'émetteur d'un transistor dont la base et le collecteur sont formés respectivement par la première zone et le caisson. Les porteurs de charge, collectés par la seconde zone, peuvent être fournis à tout endroit approprié du circuit par l'intermédiaire du conducteur dé connexion élaboré sur la s'econde zone. Toutefois, il est particulièrement avantageux de relier électriquement la seconde zone au caisson du second type de conduction, à l'aide dudit conducteur, de sorte que le courant de fuite puisse être évacué par l'intermédiaire du contact de connexion élaboré sur la caisson. Suivant un autre mode de réalisation préféré important, la seconde zone est reliée électriquement à un autre composant, situé à l'extérieur du caisson. Ce composant peut être situé, à l'extérieur du corps semiconducteur. Il existe toutefois un mode de réalisation préféré suivant lequel cet autre composant est élaboré dans le corps semiconducteur et est relié à la seconde zone par l'intermédiaire d'une couche métallique se trouvant en partie sur la couche isolante. A remarquer également que le signal que ledit courant de fuite cause sur le conducteur de connexion raccordé à la seconde zone, peut être mis avantageusement à profit pour constater si pour un transistor déterminé, la jonction collecteur-base est polarisée dans le sens de conduction dans des circuits oùcette•polarisation n'est pas désirée. Dans ce cas, il est également possible de corriger automatiquement et de façon simple le réglage du transistor correspondant par un rétrocouplage approprié dudit signal. Un mode de réalisation préféré important suivant est 70 14222 4 2039285 remarquable en ce que le caisson sous la première zone comporte une couche enterrée, du second type de conduction, limitrophe de la région de substrat, pratiquement parallèle à la surface et plus fortement dopée que le reste du caisson. Par suite de l'existence de cette couche 5 enterrée, ces porteurs de charge minoritaires qui, dans une direction transversale à la surface, sont injectés dans le caisson à partir de la première zone, n'atteindront pas la jonction p-n entre le caisson et le substrat, d'une part par suite du champ électrique dû à la présence de la couche enterrée dans le caisson, et d'autre part par suite de la re-10 combinaison se produisant dans la couche enterrée. Lorsque l'invention est utilisée dans ce cas, pratiquement aucun des porteurs de charge minoritaires injectés dans le caisson à partir de la première zone ne peut disparaître vers le substrat. Enfin, on remarque qu'il peut être parfois intéres-15 sant, pour perfectionner l'effet collecteur de la deuxième zone, d'ap pliquer une tension de polarisation dans le sens de blocage entre la seconde zone et le caisson. La description suivante, en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment 20 l'invention peut être réalisée. La fig. 1 est une vue en plan d'un dispositif semiconducteur conforme à l'invention. La fig. 2 est une coupe transversale suivant le plan II-II sur la fig. 1. 25 La fig. 3 est une vue en plan d'un autre dispositif conforme à l'invention. La fig.4 est une coupe transversale suivant le plan IV-IV sur la fig. 3. Toutes les figures sont schématiques, alors que les 30 dimensions n'ont pas été représentées à la même échelle. Pour la clarté des figures, on a exagéré surtout les épaisseurs. Les parties correspondantes des figures 1 à 4 ont été indiquées par les mêmes références. Dans les deux vues en plan (figures 1 et 3)» les contours des couches métalliques sont indiqués en pointillé. Pour simplifier les 35 coupes transversales (figures 2 et 4), on n'a pas tenu compte d'une diffusion en direction latérale. - (parallèlement la surface). Sur les figures 1 et 2, le dispositif comporte un —•? corps semiconducteur en silicium (1), présentant une surface pratiquement plane (2), recouverte d'une couche (3) en oxyde de silicium. (Voir 40 la figure 2)* Le corps (1) comporte une région de substrat (4» ), de 70 14222 5 2039285 type de conduction p, constituée par une partie (4) à résistivité de 3 ohm.cm, et par des canaux de séparation diffusés (5)» de même type de conduction, affleurant la surface (2). Une région (6,7), en forme de caisson, de type de 5 conduction n, qui dans le corps semiconducteur est entièrement entourée de la région de substrat (4»5) affleuré également la surface (2), et est formée par une couche épitaxiale (6), de type de conduction n, présentant une épaisseur d'environ 10yu et une résistivité de 0,6 ohm.cm, et par une couche médiane (7)» de type de conduction n, diffusée en 10 partie dans la couche épitaxiale (6) et en partie dans la région de substrat (4)» cette couche (7) étant plus fortement dopée que la couche épitaxiale (6). La région (6,7), de type de conduction n, est limitrophe de la région de substrat (4»5)» de type de conduction p, et forme avec cette région une jonction p-n (8). Cette jonction (8) qui pendant le 15 fonctionnement est polarisée dans le sens de blocage, forme une séparation ou isolation électrique entre le substrat (4»5) et le caisson (6,7). Dans ce caisson (6,7), on a élaboré une première zone conductrice (9)» de type de conduction p, affleurant la surface (2) et 20 entourée entièrement du caisson (6,7); dans cette zone (9) se trouve une zone (10), de type de conduction n, affleurant également la surface (2) et entourée entièrement de la zone (9)» La zone (10) est l'émetteur d'un transistor dont la base et le collecteur sont respectivement la zone (9) et le caisson (6, 7). A travers des fenêtres dans la couche 25 d'oxyde (3)» la couche (6) et les zones (9) et (10) sont reliées à des couches de contact (11), (12) et (13)» en aluminium. En outre, pour garantir avec le collecteur un contact convenable de faible résistance, une zone de contact diffusée (14)» de type de conduction n, est élaborée simultanément lors de la diffusion destinée à former l'émetteur (10). 30 La fig. 2 montre schématiquement un circuit détecteur de phase comportant le transistor décrit ci-dessus. Le collecteur de ce transistor reçoit des impulsions de tension positives, tandis que des impulsions de courant positives sont superposées au courant de base 1^. Suivant la relation caractérisant la période de récurrence et l'ampli-35 tude desdites impulsions, la jonction collecteur-base (15) peut être polarisée temporairement dans le sens de conduction. A travers cette jonction (15)> des trous sont alors injectés dans le caisson (6,7)1 de type de conduction n. Pour le transistor décrit ci-dessus, ces trous parviendront en partie dans les canaux de séparation (5) de la région de 40 substrat par l'intermédiaire de. la jonction bloquée p-n (8), par suite 14222 6 2039285 de l'effet transistor de la structure formée par la zone (9), la couche (6) et le canal de séparation (5)» Le courant de fuite ainsi formé se perd dans le substrat. Conformément à l'invention, pour éviter ou pour diminuer cet inconvénient, on a, à côté de la zone-base (9)» élaboré une seconde zone conductrice (16), de type de conduction p, qui affleure la surface (2), et qui dans le corps semiconducteur est entourée entièrement de la couche (6), de type de conduction n; cette zone (1é) entoure la zone (9) (voir la fig. 1) et est munie d'un conducteur de connexion (11) qui dans cet exemple constitué également le contact de collecteur, de sorte que la zone (16) est reliée à la région (6). Il en résulte que les trous injectés dans la couche (é) sont collectées en grande partie par la zone annulaire (16) agissant comme collecteur, et ce courant de trous peut être évacué par l'intermédiaire du contact de collecteur (11). ISn outre, la couche enterrée (7) donne lieu à un champ électrique dans la région entre la couche (7) et la zone (9)» de sorte que les trous injectés sont soumis à une force dont le point d'application est situé daiïs la région de substrat (4)» de sorte que finalement, pratiquement aucun des trous ne peut se perdre dans le substrat. La couche (6) est dopée de façon que l'épaisseur la plus forte que peut atteindre la couche d'épuisement aux jonctions p-n (15) ou (17) dans cette couche (6) soit d'environ px. La distance entre les zones (9) et (16) est égale à 10yu, et est donc considérablement supérieure à l'épaisseur de ladite couche d'épuisement pendant le fonctionnement. La longueur de diffusion en ce qui concerne les trous dans le matériau de la couche épitaxiale (é) est d'environ 25yu. La distance entre les zones (9) et (16) est donc inférieure à ladite longueur' de dif Le dispositif décrit peut être réalisme, par la mise en oeuvre de techniques planaires couramment utilisées. Les zones (10) et (14) sont obtenues par diffusion de phosphore et ont une profondeur de pénétration de 2 yu . Les zones (9) et (16) sont obtenues par unedif-fusion de bore et ont une profondeur de pénétration d'environ 2,7^u. Les figures 3 et 4 montrent une partie d'un circuit monolithique intégré comportant un transistor tel que décrit dans l'exemple précédent, et quelques résistances. Quant à sa conception et à ses dimensions.*, le transistor formé par (6), (9), (10) est pratiquement identique à celui suivant les figures. 1 et 2. Toutefois, contrairement à l'exemple précédent, la zone annulaire (16} n'est pas reliée à la 14222 7 2039285 zone constituant le collecteur (6), mais est (voir la fig. 2), à travers des fenêtres de contact (31) et (32) et une couche d'aluminium (33) située sur la couche d'oxyde (3)» reliée électriquement à un composant situé à l'extérieur du caisson (6,7) et ayant la forme d'une résistance (35)» ainsi qu'à une plage conductrice en aluminium (36), située également sur la couche d'oxyde (3)» Cette résistance (35) est formée par une zone diffusée, de type de conduction p (voir également la fig. 4)» élaborée dans un autre caisson (37)» àe type de conduction n. La zone d'émetteur est connectée à une résistance (38), alors que la zone de collecteur est reliée à une résistance (39)• Par leur autre extrémité, les résistances (35) et (38) sont connectées â une plage conductrice (40) en aluminium, située sur la couche d'oxyde (3)» tandis que la résistance de collecteur (39) est raccordée à une plage conductrice (41) qui est reliée au caisson (37) à travers la fenêtre (42) et une zone de contact diffusée sous-jacente, de type de conduction n+. Si la plage conductrice (40) est reliée à la masse, et la plage conductrice (4*0 est portée à un potentiel positif constant, l'accroissement du courant de "base au delà d'une intensité limite déterminée, porte le transistor à saturation, de sorte que la jonction base-collecteur (15) est polarisée dans le sens de conduction. Les trous qui sont alors injectés dans la base (9) par la jonction (15)» sont collectés par la zone annulaire (16), et le courant correspondant à cette situation cause une chute de tension aux extrémités de la résistance (35)» Cette chute de tension peut par exemple être détectée entre les plages conductrices (40) et (36), et peut, au besoin à l'aide d'un circuit de rétrocouplage non représenté, être mise à profit pour corriger le réglage du transistor, de sorte que la jonction base-collecteur est à nouveau polarisée dans le sens de blocage et que le transistor n'est plus saturé. Bien que l'invention soit décrite à l'aide de formes de réalisation et d'application déterminées, le technicien pourra en réaliser de nombreuses variantes sans sortir du cadre de l'invention. L'invention peut par exemple être mise avantageusement à profit pour une diode, obtenue par exemple en omettant dans les exemples décrits la formation de la zone constituant émetteur (10). La zone (16) peut être connectée directement aussi à un composant situé à l'extérieur du corps semiconducteur. L'invention est évidemment applicable aussi dans des structures - complémentaires, obtenues lorsque les types de conduction précités sont remplacés par les types opposés. Comme matériau semiconducteur, il est possible d'utiliser des matériaux autres que le 70 14222 8 2039285 silicium» par exemple le germanium ou des composés III-Y, tandis que le matériau formant la couche d'oxyde (3) peut être remplacé par d'autres matériaux, par exemple le nitrure de silicium, combiné ou non avec de l'oxyde de silicium. Au besoin, il est également possible d'appliquer 5 une tension de polarisation dans le sens de blocage entre la zone (16) et la couche (6), pour améliorer l'effet collecteur de cette zone (16). 70 14222 9 2039285 Revendicationsi 1. Dispositif semiconducteur dont le corps semiconducteur comporte une surface pratiquement plane recouverte au moins partiellement d'une couche isolante, une région de substrat, d'un premier type de conduction, affleurant ladite surface, ainsi qu'une région caisson, du second type de conduction, affleurant également la mime surface et qui dans le corps semiconducteur est entouré entièrement de la région de substrat avec laquelle il forme une jonction p-n servant de séparation électrique entre la région de substrat et le caisson, régions, alors que dans le caisson, on a élaboré au moins une premiè re zone, du premier type de conduction, entourée entièrement du caisson et affleurant ladite surface plane-, caractérisé en ce qu'à côté de ladite première zone, on a élaboré une seconde zone, du premier type de conduction, affleurant ladite surface plane et dans le corps semiconducteur entourée entièrement du caisson du second type de conduction, cette seconde zone entourant quasi entièrement la première zone et étant munie d'un conducteur de connexion. 2. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que mesurée parallèlement à la surface, la distance entre la première et la seconde zone est supérieure à l'épaisseur de la couche d'épuisement qui pendant le fonctionnement s'étend entre ces zones. 3. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que mesurée parallèlement à la surface, la distance entre la première et la seconde zone-; est au maximum égale à la longueur de diffusion des porteurs de charges minoritaires dans le caisson, du second type de conduction. 4» Dispositif semiconducteur selon une des revendica tions 1 à 3» caractérisé en ce qu'à l'intérieur de la première zone, on a élaboré une zone du second type de conduction, entourée entièrement de la première zone, affleurant la surface et formant l'émetteur d'un transistor dont la base et le collecteur sont formés respectivement par la première zone et le caisson. 5. Dispositif semiconducteur selon une des revendications 1 à 4» caractérisé en ce que la seconde zone est reliée électriquement au caisson du second type de conduction. 6. Dispositif semiconducteur selon une des revendications 1 à 4» caractérisé en ce que la seconde zone est reliée électriquement à un autre composant situé à l'extérieur du caisson. 70 14222 10 2039285 7. Dispositif semiconducteur selon la revendication 6, caractérisé1 en ce que ledit autre composant est élaboré dans le corps semi-conducteur et est relié à la seconde zone par l'intermédiaire d'une couche métallique située en partie sur la couche isolante. 8. Dispositif semiconducteur selon une des revendications 1 à 7» caractérisé en ce que le caisson sous la première zone comporte une couche médiane > du second type de conduction, limitrophe de la région de substrat et pratiquement parallèle à la surface, cette couche médiane étant plus fortement dopée que le reste du caisson. 9. Dispositif semiconducteur selon une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif comporte des moyens à l'aide desquels la jonction p-n entre la première zone et le caisson peut être polarisée au moins temporairement dans le sens de conduction.