Brevet FR2047906A1 — publié le 19710319

t. 2047906 l'invention se rapporte aux transistors, planar s,. é'pita-xiaux, en tant qu'éléments,des circuits intégrés à haute densité de composants. : ' Les transistors bipolairess il s'agit des transistors où 5 la conduction du courant est assurée au moyen de porteurs minoritaires, sont communément utilisés comme composants de circuits intégrés. Ils sont habituellement du type planar épitaxial. Ces circuits intégrés comprennent une couche inférieure semi-conductrice, d'un type de conductivité donné, et une couche 10 épitaxiale, obtenue par croissance, au-dessus de la couche inférieure et du type de conduction opposé. Les collecteurs des transistors sont constitués par des portions de la couche épitaxiale ; ils contiennent la zone base et la zone émetteur, obtenus par diffusion d'un dopant. Afin d'isoler entre eux les collecteurs.des transistors ad-15 jacents, une zone appropriée de la-couche épitaxiale est dopée par diffusion, afin de lui donner un type de conductivité opposé à celui de la dite couche épitaxiale. Cette zone a la forme d'un cadre renfermant le transistor et s'étend à travers toute l'épaisseur de la couche épitaxiale pour atteindre la couche inférieure. La jonction, 20 polarisée inversement et réalisée là où ce cadre et la couche inférieure sont en contact avec le collecteur épitaxial', assure l'isolement du transistor. Ce cadre est obtenu grâce à une opération additionnelle de masquage et de diffusion, ce qui représente un accroissement non négligeable des frais et du temps de fabrication. 25 En outre, cela limite la distance minimum entre transis tors adjacents, ce qui limite également la densité maximum des éléments à la surface de la couche inférieure. Un nouveau modèle de transistor planar épitaxial a été récemment proposé dans le but de parvenir à une plus grande densité 30 et à des coûts moins élevés. Dans ce modèle la base est formée l'une portion de la couche épitaxiale, ayant le même type de conductivité que la couche inférieure, et elle est complètement entourée par la zone du collecteur, du type de conductivité opposé. La jonction, polarisée inversement, résultant du contact entre 1a. surface extérieu-35 re du collecteur et la couche inférieure, d'une part, et 1a. portion de couche épitaxiale extérieure du transistor, d'autre part, assure l'isolement nécessaire. _ Cet arrangement supprime la nécessité du cadre isolant et fournit par conséquent les moyens pour parvenir à une densité d'é^-40 léments plus grande. Mais les transistors ainsi constitués ont de 70 23202 2 2047906 faibles performances et, de plus» l'épaisseur de la couche épitaxiale doit être plus réduite et définie avec plus de précision que dans le cas habituel, ce qui entraîne Ses difficultés supplémentaires o 5 L!obj et de la présente invention est de fournir un modèle de transistor planar épitaxial ayant des caractéristiques favorables en ce qui concerne les coûts de fabrication et la densité maximum réalisable, mais ayant de hautes performances, comparables à celles des transistors planars usuels. • 10 Le transistor conforme à l'invention est-caractérisé par une plus grande densité d'impuretés, obtenue par diffusion dans une portion définie de la zone base, de façon à parvenir à un gradient d'impuretés convenable. Ce gradient engendre un champ accélérant les . porteurs minoritaires injectés par l'émetteur dans la base vers le 15 collecteur, réduisant ainsi le temps de transit. Les opérations de masquage et de diffusion, nécessitées par une telle diffusion d'impuretés, peuvent être utilisées également pour obtenir une zone de condvictivité élevée, renfermant'le transistor et améliorant son isolement. 20 Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaî tront clairement dans la description détaillée d'une réalisation préférée, donnée à. titre d'exemple non limitatif, ainsi que dans les dessins annexés, qui montrent : Fig' t un schéma, en perspective et en coupe, d'un transistor, en 25 tant qu'élément d'un circuit intégré selon l'état de la technique. • Fig. 2 un schéma, en perspective et en coupe, d'un transistor selon l'invention avec une partie d'un transistor adjacent. Fig. 3 le diagramme des concentrations, d'impuretés dans les 30 différentes .zones d'un transistor conforme à l^^yention. La fig. 1 montre de façon schématique, en, coupe et en perspective, un transistor planar .épitaxial du type KPN selon la technique normalement utilisée pour les circuits intégrés. Selon l'habitude, les types de conductivité des-substances 35 semi-conductrices, dûs à la présence d'impuretés acceptrices ou donatrice#, sont respectivement indiqués au moyen des lettres P et ïï, dans le cas d'une faible conductivité (correspondant par exemple à une résistivité de 1,5 ohm.cm) et, dans le cas d'une conductivité élevée (correspondant par exemple à une résistivité de 0,01 ohm.cm) 40 résultant d'une concentration d'impuretés plus forte, au moyen de 70 23202 2047906 P+ et N+. Il est clair., que ce qui est. dit^.en. ce qui, concerne un type NPH de transistor, est également valable pour un transis-tor de type PNP, quand les=changements appropriés et évidents en .soi ont été effectués. 5 Gomme le montre la fig. 1, la couche inférieure 1, cris talline semi-conductrice, habituellement en silicium, a une conductivité du type P+. Sur cette couche inférieure on réalise par diffusion une couche 2 de conductivité N+, communément appelée "collecteur encastré", et au-dessus de cette dernière,.de, même qu'au-10 dessus de^la^coucfee inférieure, est réalisée par croissance une couche 3/de conductivité N, à partir de laquelle est formé le collecteur proprement dit. â l'intérieur de ce collecteur 3 est obtenue par diffusion la zone base 4 de type P, et à l'intérieur de cette zone base est diffusée la zon© émetteur 5 de type N+._- Une zone 6, 15 en forme de cadre entourant le transistor, de conductivité de type P et s'étendant de la surface à la couche inférieure 1, peut également être obtenue par diffusion. La jonction existant à la surface séparant les zones de collecteur 2 et 3 de la région 6 et de la couche inférieure 1,.as-20 sure, quand elle est convenablement polarisée, l'isolement du transistor vis-à-vis du reste de la couche inférieure. Les conducteurs 7, 8 et 11 en contact ohmique avec les surfaces supérieures des zones 5,4,3 alimentent les électrodes d'émetteur, de base et de collecteur. De plus, afin de diminuer la résistance du collecteur, 25 une zone 10 ÏÏF+ en contact-avec l'électrode 11 de collecteur et s'étendant parfois à l'intérieur pour atteindre ler collecteur encastré 2, peut'être obtenue par diffusion. Une couche isolante, habituellement, en biôxyde de silicium, recouvre toutes le3 surfaces libres de la couche épitaxiale ; pour 30 des raisons de clarté elle n'est pas représentée sur la figure. On peut noter qu'un grand nombre d'opérations différentes de masquage et de diffusion sont nécessaires pour obtenir les diverses zones de différents types de conductivité et de différentes profondeurs de dopage. En particulier la zone en forme de cadre. 6 35 exige une opération individuelle de masquage et de diffusion. La fig. 2 représente schématiquement, en coupe et en perspective, une portion d'un circuit intégré conforme'à l'invention 'montrârlt un "transistor 21 et une partie d'un transistor adjacent 22. ' Les transistors 21 et 22 sont du type NPN et sont réalisés 40" sur une couche inférieure 23 P+, sur laquelié* une couche 24 de type 70 23202 4 2047906 P à faible conductivité est obtenue par croissance épitaxiale. L'épaisseur de la couche 24 peut être par exemple de 5 microns. Avant de procéder à la réalisation par croissance de, la couche épitaxiale 24 sur la couche inférieure 23 on réalise, par 5 diffusion ou par croissance épitaxiale, une zone 25 de type de conductivité N+» Cette zone, qui s'étend au-dessous de toute la surface occupée par le transistor, est intercalée entre la couche inférieure 23 et la couche 27 s et constitue le collecteur encastré. Une zone diffusée 26 du même type N-l- a la forma d'un cadre entourant entiè-10 rement la zone 27 de la couche épitaxiale et a'étend à travers cette dernière pour atteindre la zone encastrée 25. Elles forment ensemble le collecteur du transistor 2t. La portion 27 de la couche épitaxiale de type P, ainsi entourée, constitue la base du dit transistor® 15 Corformément à l'invention, à l'intérieur de cette zone 27, une zone 23 ayant une conductivité de typa P+ est obtenue par diffusion à partir de la surface supérieure. Par l'effet du processus de diffusion la concentration des impuretés diminue de la surface vers l'intérieur de la base. Une 20 zone 29 de type N+, qui constitue l'émetteur du transistor, est contenue dans la zone 28 de type P+. Les conducteurs métalliques 16,17,18, qui constituent les "électrodes de collecteur, de base et d'émetteur, sont déposés sur la surface supérieure- de la couche épitaxiale et se trouvent en 25 contact ohraique respectivement avec la zone 26s la zone 27.et la zone 29. La surface libre de la couche épitaxiale est recouverte par une couche isolante, habituellement en bioxyde de silicium, non représentée et assurant l'isolement de surface. L'isolement du transistor 21 vis—à-vis du reste de la cou-30 che inférieure est obtenue en polarisant inversement la jonction résultant du contact entre d'une part les zones.25 et 26 d^ type M+ et d'autre part la couche inférieure 23 et les portions 24 de la couche épitaxiale de type P. Une surface en forme de cadre, séparée du collecteur et entourant ce dernier, nfest pas nécessaire pour 35 isoler le transistor de son environnement, comme la technique antérieure. La concentration des impuretés le long d'une ligne XX traversant l'émetteur, la base et le collecteur est représentée à titre indicatif à la fig. 3. 40 Les distances à partir de la surface sont portées sur BAQ ORIGINAL 70 23202 5 2047906 l'axe horizontal X 3elon une échelle arbitraire linéaire. Les concentrations d'impuretés donatrices et acceptricea sont représentées sur l'axe vertical Y selon une échelle arbitraire, mais essentiellement linéaire. 5 La ligne 3 montre la concentration des impuretés"donatrices dans la zone émetteur : la conductivité est du "type N et, en conséquence, les porteurs majoritaires dans cette zone sont des électrons. La concentration des impuretés donatrices étant obtenue par diffusion est maximum à la surface de la couche épitaxiale (K = 0) et décroît, 10 à une distance suffisante de la surface, de façon telle qu'elle peut être considérée comme étant exponentielle. La ligne B représente la concentration des impuretés ac-ceptrices dans la couche épitaxiale formant la zone base* S'il n'y avait pas de zone 28, obtenue par diffusion, la 15 concentration des impuretés acceptrices dans la base serait constante sur tout le trajet entre l'émetteur et le collecteur- La ligne G montre la concentration des impuretés donatrices prés de la jonction base-collecteur. Elle est maximum dans la zone collecteur et décroît très rapidement vers la zone base. La jonc-20 tion base-collecteur peut être localisée à la distance XgQ, où la ligne B croise la ligne G. Un tel transistor, ayant sa'base constituée par une couche épitaxiale présentant une concentration constante d'impuretés acceptrices, aurait des caractéristiques défavorables. Les porteurs 25 minoritaires (électrons) injectés par l'émetteur dans la base se déplaceraient vers le collecteur seulement par l'effet de diffusion et, en conséquence, le temps de transit serait relativement long et la fréquence maximum de fonctionnement réduite. On sait en outre que le temps de transit influence le coefficient d'amplification 30 de courant h^g qui est le rapport entre le courant de collecteur et le courant de base. Pour éviter de tels inconvénients l'épaisseur de la couche base doit nécessairement être très faible. Ceci augmente les difficultés de fabrication, car un con-35 trôle très précis de l'épaisseur est indispensable. De plus la résistance de base transversale -c'est-à-dire la résistance affectant la portion de courant s'écoulant essentiellement parallèlement à la jonction- est relativement élevée. Par ailleurs la tension de collecteur maximum admissible-40 est relativement faible. Comme la base a une densité d'impuretés 70 23202 6 2047906 acceptricea relativement; faible^ la couche d'arrêt adjacente à la jonction hase-callecteur, c'est-à-dire la couche démunie des porteurs majoritaires par l'aptian de la polarisation inverse de la jonction, s'étend principalement dans la hase, et augmente avec 5 1'accroissement de la tension du collecteur. Si son épaisseur devient égale à. 1'".épaisseur totale de la hase, l'émetteur et le collecteur sont eourt-circuités et le t;rartsxs"bor» est endommagé. Cet effet de "pénétration" est naturellement favorisé par l'épaisseur réduite de la hase et par sa faible et uniforme concentration d'im-10 puretés» Ces inconvénients sont évités selon la présente invention grâce à.la zone 28 de conductivité P+, constituée par diffusion à l'intérieur de la zone 27. La ligne P montre la concentration des impuretés acceptrices dans cette zone et la concentration effective des impuretés acceptrices de la base est indiquée par les portions 15 continues des lignes P et B. La concentration des impuretés acceptrices étant obtenue par diffusion décroît presque exponentiellement du point à la distance Xgp, où la ligne P croise la ligne E et où la jonction base-émetteur peut être localisée, jusqu'au point à la distance Xpg, où 20 la ligne P croise la ligne B.. Cette décroissance exponentielle de la densité des impuretés acceptrices engendre un champ approximativement constant, dirigé de telle sorte qu'il accélère les porteurs minoritaires injectés dans la base par l'émetteur vers le collecteur. Cet effet, con-25 nu sous le nom d!effet "drift" est expliqué, par exemple, dans - l'article "The Drift Transistor" de H. Kroemer dans "Transistor I", ouvrage publié en 1.956 par les laboratoires RCA de Princeton, N.Y., Etats-Unis. Sous l'influence, de ce champ le temps de transit des porteurs- minoritaires décroît substantiellement et la fréquence 30 maximum de fonctionnement ainsi que l'amplification de courant hp^ croissent de façon correspondante. Il n'est pas nécessaire par conséquent d'utiliser, pour la zone base5 une épaisseur plus faible que les épaisseurs communément employées. 35 En outre, comme déjà dit, la couche d'arrêt 3 (fig.3) adjacente à la jonction base-émetteur s'étend, sous l'influence de la polarisation inverse de la jonction, à travers la zone comprise entre XPB et Xgç, qui correspond à la zone 27 de concentration constante d'impuretés. Quand, sous une tension décroissante, la 40 couche d'arrêt atteint Xp^, où la concentration des impuretés ac- 70 23202 7 2047906 ceptrices commence à croître, sa largeur augmente seulement dans une mesure réduite, même pour un accroissement important de la tension appliquée, et pratiquement ne pénètre presque pas dans la zone 28. les porteurs minoritaires, accélères vers le collecteur par le 5 champ de déviation en entrant dans" la zone d'arrêt 3, sont accélérés additionnellement vers le collecteur par le champ existant dans cette zone. En conséquence, même si l'épaisseur physique de la base est relativement importante, son épaisseur effective est notablement réduite et le temps de transit est limité en concordance. 10 l'épaisseur relativement importante de la base et l'exis tence d'une zone présentant une concentration élevée d'impuretés réduisent le danger de pénétration, ceci accroissant la tension de rupture. De plus, par suite de l'épaisseur plus forte et de la concentration plus élevée des impuretés à proximité de l'émetteur, 15 la résistance transversale de la base est réduite de façon appropriée . la zone 15 de la fig.2, intercalée entre le transistor 21 et le transistor adjacent 22, améliore l'isolement réciproque et empêche une interaction entre les transistors. De fait la zone 26 20 du transistor 21 et la zone Î4'du transistor- 22, de conductivité N+ toutes les deux, étant séparées par la portion 24 intercalée de la couche épitaxiale de conductivité P, forment un transistor additionnel ayant, par exemple, la zone 14 comme émetteur, la zone 24 comme base et la zone 26 comme collecteur. Ce transistor pourrait 25 fonctionner si,, lors d'un quelconque incident, la polarisation inverse de la jonction entre la zone 14 et la portion 24 était temporairement renversée. La zone intercalée 15 ayant une conductivité P+- favorise la recombinaison des porteurs négatifs, en les empêchant d'atteindre le collecteur 26 du transistor 21. On peut noter que, 30 contrairement à la zone 6 de la fig. 1, cette zone en forme ie cadre n'exige pas d'opérations distinctes de masquage et de diffusion, car elle peut être obtenue par les mêmes opérations que pour la zone 28. 70 23202 8. 2047906 REVENDICATIONS 1) Transistor planar épitaxial perfectionné comprenant : une couche inférieure monocristalline semi-conductrice ayant un premier type de conductivité, une' couche épitaxiale' formée sur la couche inférieure et ayant le même type de conductivité que celle-5 ci, une zone collecteur ayant un second type de conductivité, opposé au premier type, formée dans la couche inférieure et dans .la couche épitaxiale et séparant complètement du reste .de la couche -épitaxiale une portion de la couche épitaxiale de la couche inférieure, la dite portion de la couche épitaxiale constituant la 10 zone base du transistor^ une zone émetteur .ayant le second type de conductivité et entièrement contenue dans la sone base, des conducteurs en contact ohmique chacun séparément avec chacune des zones pour former les électrodes drémetteur, de base et de collecteur,-caractérisé en ce qu'une portion de la zone base, contenant en-15 tièrement la zone émetteur, a une conductivité du premier type sensiblement plus élevée que le reste de la zone base, la concentration des impuretés dans cette portion étant relativement élevée dan3 le voisinage immédiat de la zone émetteur et décroissant graduellement à mesure que la distance de la dite zone augmente. 20 2) Transistor planar épitaxiale perfectionné selon reven dication 1, dans lequel les conducteurs formant l'électrode de base sont en contact ohmique avec la dite portion de la zone base ayant une conductivité relativement élevée.- 3) Une pluralité de transistors épitaxiaux selon, l'une 25 des revendications 1 ou 2, faisant partie;d'une pluralité d'éléments de circuits intégrés, réalisés à la surface d'une couche inférieure monocristalline semi-conductrice unique, dans laquelle une zone en forme de cadre, du dit premier type de conductivité relativement élevée, entoure chaque transistor.