Brevet FR2103532A1 — publié le 19720414

X 2103532 La présente invention concerne un composant semi-conducteur à effet de champ avec une couche semi-conductrice obtenue par croissance épitaxiale à la surface d'un substrat et formant entre deux électrode's principales un canal de conduction qui est séparé 5 d'une électrode de commande par une couche intermédiaire isolante électrique» les transistors à effet de champ sont souvent utilisés, comme on le sait, dans les circuits intégrés. Un type particulier de tels transistors comportant une électrode de commande isolée 10 électriquement de la couche semi-conductrice est connu d'après la littérature technique anglo-saxonne sous la désignation de "Metal-Insulator-Semiconductor Eield Effect Transistor", c'est-à-dire de transistor à effet de champ métal-isolant-semiconducteur« le plus répandu d'entre eux est le Metal-Oxide-Semiconductor Field 15 Effect Transistor, ou transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur, que l!on désigne aussi, plus brièvement, par ses initiales MOS-3TET, ou T.E^C. MOS, couramment abrégées encore en celles de MOS. la couche isolante comprise entre l'électrode de commande, ou porte, généralement métallique et le canal de conduc-20 tion situé entre les deux électrodes principales, appelées d'après leur fonction source et drain, est par exemple constituée par de l'oxyde de silicium SiÛ2 . Dans un autre type de construction, l'isolation de l'électrode de commande peut aussi être assurée par une couche d'arrêt 25 ou zone de charge d'espace» l'électrode de commande et le canal semi-conducteur forment alors, par suite de la transition p-n, une diode à jonction fonctionnant dans le sens de blocage„ On peut aussi utilisers dans ce cas particulier, pour l'électrode de commande, au lieu d'une jonction p-n définie, une jonction entre 30 métal et semi-conducteur dite couche d'arrêt Schottky, On sait, d'après l'article "Transistors à effet de champ en micro-ondes" de la revue "Technische Rundschau", n° 34, 8-8-1969, p. 27-29, que, dans un tel transistor à effet de champ métal-semiconducteur, ou ToEoCo MES, on peut obtenir des temps de commutation brefs à 35 condition d'éviter les effets parasites» Ce ToE.C. MES connu renferme, en tant que substrat, du silicium de type de conduction n et d'une résistance spécifique de 50 kJZ,cm, lequel sert en pratique d'isolant. La plaque-support à résistance élevée reçoit par dépôt épitaxial une couche hautement dopée qui forme un canal de 40 conduction entre les deux électrodes principales. L'épaisseur de 71 30886 2 2103532 ce canal est d'environ 0,2 jjl * Quant à la résistance spécifique de la couche, elle n'a qu'une valeur faible, d'environ 0,lJl.cm. On peut aussi, selon la prépublication allemande n° 1 941 912„ utiliser, pour un transistor à effet de champ comportant une couche 5 d'arrêt Schottky, une couche de silicium d'environ 1,5 obtenue par croissance épitaxiale sur un substrat de type n hautement dopé et appartenant elle aussi au type n. Cette couche épitaxiale sert de support à la couche accumulatrice de charge. Un T.E.C. MOS peut aussi renfermer, d'après la prépublication 10 allemande n°l910 297, une couche de silicium obtenue par croissance épitaxiale sur un substrat de silicium de type opposé. les électrodes de source et de drain se trouvent dans des couches différentes et sont séparées par la couche semi-conductrice épitaxiale. On connaît en outre, par la prépublication allemande 15 n° 1 811 492, un T.E.C. MOS dont l'électrode de commande, en aluminium, est séparée par une couche d'oxyde de silicium du canal de "type p obtenu par croissance sur un isolant, par exemple un monocristal de saphir ou un spinelle. Les électrodes de source et de drain sont précédées de zones de type n obtenues par diffusion. • 20 La substance de dopage de ces zones est diffusée à travers toute l'épaisseur de la couche semi-conductrice, si bien que lesdites zones sont fermées, par rapport au canal de conduction, par des surfaces de délimitation verticales. Des "Proc. IEEE" Ed. 13, 1966, p. 379-381, il ressort que 25 l'agencement précité des électrodes principales résoud le problème du maintien à de faibles valeurs des capacités, en particulier de la capacité entre source et substrat, d'un T.E.C. MOS. La surface de transition entre la zone des électrodes et le substrat est limitée, par diffusion à travers toute l'épaisseur de la couche 30 semi-conductrice de croissance, à la surface de contact direct entre le substrat et la zone précédant lesdites électrodes. L'invention a pour objet de diminuer dans un transistor T.E.C. MIS les capacités intérieures, qui., lors-de processus de commutation du composant semi-conducteur, doivent d'abord être 35 chargées et allongent d'autant le temps de commutation. Elle repose sur cette découverte de la demanderesse que l'on peut réduire ces capacités en augmentant la résistance de couche parallèle au canal de conduction allant de la source au drain, résistance qui est déterminante pour la charge desdites capacités. On se propose en 40 outre d'améliorer les caractéristiques d'un T.E.C. MOS après avoir 71 30886 3 2103532 découvert aussi que la croissance épitaxiale de substrats de nature différente peut conduire à des perturbations du cristal ayant à leur tour une influence défavorable sur les caractéristiques électriques des couches. 5 l'invention est caractérisée par le fait que le substrat est constitué par un matériau semi-conducteur à résistance élevée et type de conduction prédéterminé et l'épaisseur des zones précédant les électrodes principales ne représente qu'une fraction également prédéterminée de celle de la couche semi-conductrice. La forme des 10 électrodes, connue en soi, est telle que la largeur du canal de conduction, c'est-à-dire essentiellement l'étendue longitudinale de l'électrode de commande, soit importante par rapport à la longueur de ce même canal, laquelle est essentiellement la distance entre source et drain. Le rapport entre ces deux dimensions du 15 canal est avantageusement supérieur ou égal à 10/1, et de préférence égal à 100/1. On utilise comme substrat du silicium ou du germanium ou encore un des composés dits AjjpBy „ La couche semi-conductrice obtenue par croissance sur le substrat est de préférence constituée par le même matériau semi-20 conducteur, mais avec un dopage différent ou le type de conduction opposé, sans préjudice non seulement de la même symétrie de réseau mais aussi de constantes de réseau identiques ou au moins analogues à celles du substrat. Il est essentiel que le substrat présente une résistance 25 d'une valeur spécifique représentant de préférence plusieurs centaines d'ohms-centimètres. Si la couche semi-conductrice réalisée par croissance a seulement un dopage différent, il convient que sa résistance spécifique soit au moins cent fois plus petite que celle du substrat. Avec un tel substrat de résistance élevée et une couche 30 de croissance du même matériau semi-conducteur, on exploite certes les propriétés de l'isolant, mais en même temps on évite aussi les difficultés technologiques concomitantes0 La couche semi-conductrice obtenue par croissance présente, comme on l'a dit, une faible résistance : sa valeur spécifique est 35 de préférence comprise entre 1 et 20 Jl.cm. On a en effet constaté qu'une résistance spécifique de moins de 1 .il.cm donne une trop basse résistance de couche et qu'au-dessus de 20 il peut se produire une disruption de la charge d'espace. Aussi une résistance spécifique de 1 à 10 _SL.cm conviendrait-elle particulièrement bien. 40 L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif 71 30886 4 2103532 et illustré schématiquement par le dessin annexé » sur lequel ; la figure 1 représente la disposition et la forme des électrodes d'un T.E.C. MOS connu j la figure 2 est une coupe suivant II-II de la figure 1, avec 5 indication de la structure selon ladite invention.. D'après la figure 1, un substrat 2, par exemple en silicium de faible conduction p, est muni;,par dépôt épitaxial, d'une mince couche a d'environ 4 ^ de silicium de type n. Des électrodes de source 6, de drain 8 et de commande 10 sont disposées et agencées, 10 sur le substrat ainsi préparé, en sorte que la longueur i. du canal de conduction placé au-dessous de l'électrode de commande, dans la couche semi-conductrice en silicium 4? soit très inférieure à la largeur b de ladite électrode.-En harmonie avec la source et le drain, cette électroce de commande est aussi appelée porte, d'après 15 sa fonction* Chaque électrode- comporte, pour le raccordement d'un conducteur électrique, une partie beaucoup plus étendue, dans la réalisation considérée, que sa partie active en forme de bande0 Comme on le voit sur la figure 2, les électrodes 6 et 8 se trouvent directement sur la surface de la couche semi-conductrice 4, 20 tandis que l'électrode de commande 10 repose sur une couche isolante électrique 12. Cette dernière est constituée par de l'oxyde de silicium SiO^ , et une couche intermédiaire de nitrure de silicium Si^N^ , non représentée, peut avantageusement être intercalée entre elle et la couche métallique de l'électrode de commande 10„ 25 De la croissance épitaxiale de la couche en silicium 4 de conduction n sur le substrat en silicium 2 de faible conduction p il résulte entre ces deux couches une surface de séparation sans perturbations du cristal et par conséquent aussi l'absence de toute influence défavorable sur les caractéristiques électriques du com-30 posant» Une méthode connueet recommandée consiste à munir tout d'abord la couche semi-conductrice 4 de la couche isolante 12, puis à établir dans cette dernière, de préférence par attaque chimique, les zones d'électrode réservées à la source et au drain» les zones 14 de conduction p précédant lesdites électrodes de source et de 35 drain, et délimitées en trait discontinu sur la figure, sont réalisables par diffusion d'une substance de dopage, notamment de bore, de conduction p. On choisit, en corrélation avec l'invention, la durée et la vitesse de cette diffusion en sorte que la profondeur desdites zones 14 ne représente qu'une fraction prédéterminée de .40 l'épaisseur de la couche semi-conductrice® 71 30886 5 2103532 les couches 69 8 et 10 des électrodes sont constituées de façon connue par un métal, par exemple par de l'aluminium, mais peuvent cependant aussi être réalisées à partir de silicium hautement dopé. 5 Au lieu de disposer successivement une couche p"" et une couche n comme représenté, il est également possible d'utiliser du silicium de faible conduction n comme substrat et du silicium de conduction p ou n comme revêtement, et aussi bien, avec un substrat de faible conduction p comme dans l'exemple considéré jusqu'ici, un revête-10 ment de conduction p au lieu de celui de conduction n. L'essentiel pour l'invention est que la couche'semi-conductrice soit" obtenue par croissance épitaxiale sur un substrat du même matériau, ou au moins d'un matériau de même structure de réseau, et qu'en même temps la zone active du transistor dans cette couche semi-conductrice soit 15 réduite par limitation de l'épaisseur de la couche épitaxiale» La faible épaisseur de la couche semi-conductrice épitaxiale selon l'invention détermine une forte résistance aux courants parasites et une réduction correspondante des capacités parasites. Dans la réalisation prise comme exemple, on a adopté une 20 couche isolante 12 en oxyde de silicium SiOg y mais il peut le cas échéant être avantageux de réaliser celle-ci au moyen d'autres isolants, par exemple de nitrure de silicium Si^îT^ ou d'oxyde d'aluminium A^O^ ou encore de la former de plusieurs couches élémentaires de matériaux isolants différents. 71 30886 6 2103532 KETŒHDI0ATI0M3 1. Composant semi-conducteur à effet de champ avec une couche semi-conductrice obtenue par croissance épitaxiale à la surface d'un substrat et formant entre deux électrodes principales un canal 5 de conduction séparé d'une électrode de commande par une couche intermédiaire isolante de l'électricité»- composant caractérisé par le fait que. le substrat est constitué par un matériau semi-conduc-teur à résistance élevée et type de conduction prédéterminé dont la surface est munie d'une .miûce couche semi-conductrice obtenue 10 par croissance épitaxiale, l'épaisseur des zones qui précèdent les électrodes principales ne représentant qu'une fraction également prédéterminée de celle de ladite couche semi-conductrice. 2. Composant semi-conducteur à effet de champ selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'épaisseur de la couche 15 semi-conductrice est de l'ordre de 1 à 10 ^ . 3. Composant semi-conducteur à effet de champ selon la revendication 2 caractérisé par le fait que ladite épaisseur est comprise entre 2 et 5 £ . 4. Composant semi-conducteur à effet de champ selon la reven- 20 dication 1 caractérisé par le fait que le canal a une longuèur très inférieure à sa largeur. 5. Composant semi-conducteur à effet de champ selon la revendication 4 caractérisé par le fait que le rapport de la largeur à la longueur du canal est supérieur à 10/1. 25 6. Composant semi-conducteur à effet de champ selon la reven dication 5 caractérisé par le fait que ledit rapport est voisin de 100/1.