Brevet FR2080642A1 — publié le 19711119

20806*2 La présente invention se rapporte généralement à des dispositifs à semiconducteur; en particulier, elle concerne et a essentiellement pour objet des transistors ayant des géométries de dispositif et des structures de contact conçues 5 pour améliorer les caractéristiques de manipulation et de fréquence du courant électrique pour fonctionnement à grande puissance et à haute fréquence. Plusieurs géométries ou configurations de transistor et structures de contact ont été développées ou mises au point dans 10 une tentative d'accroître le rapport numérique entre la périphérie d'émetteur et la surface de base, l'uniformité d'injection de courant électrique d'émetteur et d'autres chiffres de mérite ou nombres de qualité. Parmi ces développements est notable le transistor dit "à recouvrement" ou " à superposition". Le dispositif "à recouvrement" ou "à 15 superposition" emploie une grille d'emplacements d'émetteur, séparés reliés entre eux par une structure de contact métallique d'émetteur qui est superposée à une couche de revêtement d'oxyde et à des portions de la base. L'uniformité d'injection de courant électrique est maintenue par une zone 20 de base de haute conductivité entre chaque contact de base et les régions de base. Un autre dispositif emploie une région de base qui "perfore" ou grillage la région d'émetteur en donnant au profil d'émetteur un aspect de mailles rectangulaires ou de treillis 25 ou réseau. Bien que ce dispositif ne soLt pas capable de fonctionner auxmêmes niveaux de puissance et de fréquence que le transistor "à superposition", il n'emploie pas la zone de base de haute conductivité et est par conséquent moins cher à fabriquer. Un autre transistor à "émetteur à mailles" comprend 30 une géométrie d'émetteur à mailles dans laquelle les régions séparées d'émetteur s'étendent depuis les côtés de la pastille ou plaquette vers le centre du dispositif. La manière, dont le contact ohmq® est réalisé avec-les régions semiconductrices du dispositif constitue également un 35 autre facteur majeur ou important de considération dans la conception de transistors de puissance à radio-fréquence bad original 71 02679 2 2080642 10 15 20 25 30 • 35 ou à hauts fréquence. Bans les dispositifs "à émetteur à mailles" de l'état antérieurement connu de la technique, le contact est généralement réalisé avec la région de base au moyen d'une pluralité de doigts étroits de contact de base s'étendant sur la couche de revêtement d'oxyde et sur des portions du treillis à mailles d'émetteur. Le contact d1 émetteur■est réalisé par des doigts métalliques étroits s'étendant le long de portions parallèles du treillis à mailles d'émetteur et entre.des doigts de contact de base adjacents. Des exemples de cette structure de contact sont employés dans les dispositifs à émetteur à mailles décrits ci-dessus. Cependant, des contacts métalliques étroits, tels que ceux qui sont décrits, présentent des réactances parasites indésirables et ne sont pas capables de transporter des densités de courant élevées. Eg. outre, dans un transistor de puissance à haute fréquence, la résistance de contact de base constitue une majeure partie de la résistance intrinsèaue- de diffusion ou de divergence de base R^i ; il est donc nécessaire de rendre la résistance de conta- de base minimale pour obtaiir un gain de puissance maximal. Une faible résistance de contact est réalisée d'une façon inhérante dans le dispositif "à superposition" par l'emploi de la zone de base à haute conductivité qui maintient également l'uniformité d'injection de courant électrique. Toutefois, des transistors à émetteur à mailles de l'état antérieurement connu de la technique n'emploient pas line zone de base à haute conductivité et ne sont ainsi pas appropriés au fonctionnement à haute fréquence comme la structure- "à superposition"„ La présente invention comprend, un transistor à émetteur à mailles formés dans un corps semiconducteur cristallin pourvu d'une grande surface ayant une portion centrale. Le dispositif comprend une région de collecteur ayant un moyeu ou analogue s'étendant jusqu'à la surface du corps et comprenant ■ la partie centrale de la surface. Une région annulaire de base est disposée au voisinage du collecteur et autour du moyeu avec des portions de la région de base s'étendant jusqu'à la surface et formant une pluralité de lobes radiaux autour du moyeu. Une région d'émetteur est disposée à l'intérieur de la région de- base et comprend un anneau autour des extrémités des lebes de base BAD ORIGINAL 71 02679 3 2080642 et des portions en forme de coin s!s rendant depuis l'anneau vers le moyeu et entre des lobes adjacents. Le dispositif comprend aussi des moyens pour réaliser le contact ohmique avec la région de collecteur , avec la région de "base et avec la 5 région d'émetteur. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative qui va suivre en se reportant aux dessins schématiques annexés, 10 donnés uniquement à titre d'exemples'illustrant divers modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 représente une vue de dessus en plan du mode de réalisation préféré du transistor conforme à l'invention, des portions du dispositif étant arrachées; 15 - la figure 2 est une vue en coupe transversale du transistor de la figure 1, effectuée suivant la ligne 2-2 de cette dernière; - la figure 3 est une vue de dessus en plan d'une variante d'exécution du transistor, des parties du dispositif étant 20 arrachées; et - la figure 4 est une vue en coupe transversale du transistor de la figure 3? effectuée suivant la ligne 4-4 de celle-ci. EXEMPLE I Un mode de réalisation préféré du transistor de puissance 25 à haute fréquence de la présente invention sera décrit en se référant aux figures 1 et 2. Le transistor 10 est formé dans un corps semiconducteur cristallin 12 ayant une grande surface 14 avec une couche de revêtement isolant 13 disposée par dessus des portions de la surface. Alors 'que la grandeur, la forme et la 30 composition du corps 12 ne sont pas des facteurs critiques, il comprend de préférence une pastille ou plaquette de silicium d'une dimension d'environ 355 microns au carré et de 114 microns d'épaisseur. Gomme cela est indiqué sur la figure 2, le transistor 35, 10 comprend un substrat 18 du type N à haute conductivité comportant la portion inférieure du corps 12 et une région de collecteur 20 du type N adjacent au substrat 18 de type N+. La BAD ORIGINAL 71 02679 4 2080642 région de collecteur 20 comporte un moyeu ou analogue 22 qui s'étend jusqu'à la surface supérieure ou de sommet 14 et comprend une partie centrale de la surface. le transistor 10 comprend une région annulaire de base 24 5 de type P, adjacente à la région de collecteur 20 et autour du moyeu 22. Sur la figure 1, le cercle concentrique extérieur, dont une partie est représentée par une ligne discontinue en traits interrompus, représente la périphérie - extérieure de la région annulaire de base 24. Des portions de la-région de base 1q 24 s'étendent jusqu'à la surface 14 et forment une pluralité de lobes radiaux: de base autour du moyeu 22. Quatre de ces lobes de base sont numérotés ou repérés respectivement 26 à 29 sur les figures 1 et 2. Le nombre de lobes employés est dépendant des conditions de fonctionnement du dispositif, comme cela est 15 décrit ci-après. Dans ce mode de réalisation sont employés vingt-quatre lobes comprenant les lobes de base 26 à 29. la profondeur de diffus-ion de la région de base 24 en dessous de la surface 14 est dépendante de la fréquence maximale de fonction- , nement envisagée. D'une façon appropriée, la région de base 2Q 24 a une profondeur comprise entre 0,25 et 1,0 micron pour des fonctionnements à micro-ondes ou analogues. Une région de contact de base peu profonde 25 de type P+ est disposée à l'intérieur de chaque lobe de base 26-29 afin de réaliser un bon contact ohmique de base et de rendre minimale bbT 25 la"résistance de diffusion ou de divergence de base P Le profil de diffusion du transistor 10 est complété par une région d'émetteur 30 de type ET disposée à l'intérieur de la région annulaire de base 24• Sur la figure 1, le cercle concentrique intérieur, dont une partie est représentée par une ■jq ligne discontinue en traits interrompus, représente la périphérie extérieure de la région d'émetteur 30. La région d'émetteur 30 comprend un anneau ou une couronne d'émetteur 32 encerclant les extrémités extérieures des lobes de base, y compris les lobes 26 à 29, et une pluralité de portions en ^ forme de coin s'étendant depuis l'anneau ou la couronne d'émetteur 32 vers le moyeu 22-et entre des lobes de base adjacents. Sur les figures 1 et 2, deux$es coins d'émetteur BAD ORIGINAL 71 02679 5 2080642 sont numérotés ou repérés respectivement 54 et 35; le coin d'émetteur 34 est disposé entre les lobes de "base 26 et 27 et le coin d'émetteur 35 est dispose en ire les lobes de base 28 et 29. D'une façon appropriée, la région d'émetteur 30 s'étend 5 jusqu'à une profondeur comprise entre 0,127 et G,Q89 micron . er dessous de. la surface 14. Le transistor 10 comprend également des moyens pour réaliser le contact ohiîixnue avec le collecteur, avec les lobes de base et avec l'anneau d'émetteur. On peut noter sur la 10 figure 2 que la couche de revêtement isolant 13 possède un orifice annulaire 36 qui expose une partie de l'anneau d'émetteur 32 à la surface 14. Le contact d'énetteur est réalisé par un anneau métallique 38 formant bague ou couronne à haute conductivité, qui est disposé à travers l'orifice 36 15 et sur une portion de la couche de revêtement 13. Une paire de pattes ou de languettes de liaison d'émetteur ou-analogues 39 et 40 est disposée par dessus une partie de la couche de revêtement 13 tangentiellement à l'anneau métallique 38 en des points opposés de l'anneau. D'une manière appropriée, 20 l'anneau métallique 38 etles.pattes de liaison 39 et 40 peuvent comprendre une couche de métal hautement conducteur et non réfractaire tel que l'aluminium ou d'un métal réfractaire tel que le tungstène. L'épaisseur du contact d'émetteur n'est pas un facteur critique; à titre d'exemple, l'anneau 38 et les 25 pattes de liaison, d'attache ou de connexion 39 et 40 peuvent avoir une épaisseur comprise entre 0,5 et 3 microns. La couche de revêtement isolante 13 possède aussi une pluralité de fentes, chaque fente exposant une partie d'un lobe de base de la région de ba'se 24 à la surface 14. Sur les 30 figures 1 et 2, deux des fentes sont' numérotées ou repérées respectivement 42 et 43 et exposent respectivement des portions des lobes de base 26 et 27 à la surface 14. Une couche circulaire de contact métallique de base 44 est disposée pardessus la couche de revêtement isolant 13 et à travers les 35 fentes pour réaliser un contact ohmique avec la région annulaire de base 24 à chaque lobe de base. De préférence, la couche de contact de base 44 s'étend seulement jusqu'à l'extrémité extérieure BAD ORIGINAL 71 02679 6 2080642 des fentes, J compris les fente® 42 et 43- La couche de base peut comprendre également de l'aluminium oudu tngstàae , D!une-façon appropriée,- la couche 44 a également une épaisseur . comprise entre o,5 et 3 microns. 5 Le contact ohmiaue avec la région de collecteur est réalisé par une couche métallique 46 disposée sur la surface inférieure du substrat 18 de. type ÎT+. Le mode de réalisation préféré du transistor peut être fabriqué de la manière suivante. La matière semiconductrice 10 initiale ou de départ comprend de préférence une pastille ou plaquette de silicium de type U fortement dopée, ayant une résistivité d'environ 0,015 ohm-cm. La région de collecteur 20 de type ET est ensuite réalisés par croissance épitaxiale sur la plaquette de type ET+; d'une façon appropriée,, la .couche 15 épitaxiale a une .épaisseur comprise entre 5 et 10 microns et possède une résistivité de 1,0 ohm-cm. Le procédé de croissance épitaxiale est bien connu dans la technique et _ n'est pas décrit ici . Une couche de. revêtement isolant en bioxyde de silicium ou silice est ensuite réalisée par croissance thermique pardessus la surface supérieure de la couche épitaxiale. La surface est traitée avec un produit ou une matière photosensible connu Commercialement sous le nom de "photo-pcj résist" et est masquée, exposée et développée pour laisser sans protection une région de l'oxyde correspondant à la région annulaire de base 24. La plaquette est ensuite traitée avec un produit d'attaque, de corrosion ou de gravure chimique approprié pour éliminer l'oxyde non prot%é .. Ensuite, la ^0 plaquette est placée dans un four de diffusion de bore et traitée avec du nitrure de bore, de façon à diffuser la région annulaire de base dans la couche épitaxiale _d.e collecteur. La profondeur de diffusion finale dépend du domaine désiré du fonctionnement en fréquence. Pendant l'opération de diffusion 55 de la base, une couche de revêtement d'oxyde d'environ. 0,5 micron d'épaisseur est produite par croissance par-dessus la SLirface exposée de la couche épitaxiale et par-dessus les portions restantes de la couche de revêtement à5 oxyde_initiale- ou BAD ORIGNAL 71 02679 7 2080642 10 d'origine. L'oxyde est soumis à une seconde succession d'opérations respectivement d'application de produit photosensible dit "photo-résist", de masquage, d'exposition et d'attaque ou de corrosion chimique, de façon à éliminer les parties de l'oxyde correspondant à la région de contact de base 25. La région peu profonde de contact de base 25 de type P+ est ensuite diffusée dans chaque lobe de base. L'oxyde est ensuite soumis à une troisième succession d'opérations respectivement d'application de produit dit"photo-résist", de masquage, d'exposition et d'attaque, de corrosion ou de gravure chimique , de façon à éliminer les portions de l'oxyde correspondant à l'anneau d'émetteur 32 et aux coins d'émetteur y compris les coins 34 et 35. La plaquette est ensuite placée dans un four de diffusion et traitée avec une solution phosphoreuse, de façon à diffuser ^ la région d'émetteur 30 dans la région annulaire de base 24. Le nombre de coins d'émetteur employés est dépendant de la puissance de sortie désirée et de la fréquence de fonctionnement envisagée. Par exemple, une puissance plus grande nécessite que davantage de coins d'émetteur soient utilisés. 20 Après la diffusion d'émetteur, un oxyde supplémentaire est déposé sur la partie exposée de la surface de la couche épitaxiale et de l'oxyde restant. Une troisième série d'opérations respectivement d'application de produit dit "photo-résist" et d'attaque, de gravure ou de corrosion chimique ouvrent 25 l'orifice d'émetteur 36 et les fentes de contact de base y compris les fentes 42 et 43- Une couche d'aluminium ou de tungstène est ensuite déposée sur la surface entière de la couche de revêtement d'oxyde et de la surface inférieure de la plaquette , l'un quelconque des procédés bien connus dans jq la technique. Une série finale d'opérations respectivement d'application de produit dit "photo-résist" et d'attaque, de corrosion ou de gravure chimique enlève le métal non désiré de la surface 14 et délimite l'anneau de contact d'émetteur 38, les pattes de liaison ou de connexion d'émetteur 39 et 40 et . la couche de contact de base 44. Le dispositif peut alors être disposé dans ou suivant un paquet ou ensemble analogue et des fils métalliques conducteurs de connexion liés ou soudés aux pattes ~ BAD ORIGINAL 71 02679 8 2080642 âe Xiai®ûffi EXEMPLB II Un second'mode de réalisation du transistor est représenté 5 sur les figures 3 et 4- le transistor 50 est semblable au transistor 10 des figures 1 et 2 excepté que l'anneau d'émetteur 32 est omis et les structures de contact respectivement de base et d'émetteur sont modifiées pour faciliter le contact avec les coins d'émetteur séparés, le transistor 50 comprend •JO ™ substrat 18 de type ET+, une région de collecteur 20 de type N ayant un moyeu ou analogue 22 s'étendant jusqu'à la surface 14 et me région annulaire de base 24? avec des portions de la base s'étendant jusqu'à la surface et formant une pluralité de lobes radiaux autour du moyeu. Quatre des lobes 15 de base sont numérotés ou repérés respectivement 26 à 29 sur les figures 3 et 4. Le transistor 50 comprend une région d'émetteur qui contient une pluralité de coins* séparés du type N disposés dans la base annulaire 24 entre des lobes de base adjacents. Deux 20 des coins d1 émetteur sont numérotés ou repérés 55 et 56 respectivement sur les figures 3 et 4 et sont disposés respectivement entre les lobes de base 26, 27 et 28, 29. Un revêtement isolant 53 en dioxyde de silicium ou silice est disposé par-dessus des parties de la surface 14. le 25 revêtement 53 comporte une pluralité de fentes de contact de. base, chaque fente exposant ou découvrant une portion d'un lobe de base à la surface 14. Sur les figures 3 et 4, deux fentes sont numérotées ou repérées respectivement 42 et 43 et exposent ou découvrent des-portions respectivement des lobes 26 et 27. le 20 revêtement 53 comporte également une pluralité d'orifices de contact d'émetteur, chaque orifice exposant ou découvrant des portions de chaque coin d'émetteur à la surface 14. Dans le dessin, deux des orifices d'émetteur sont numérotés ou repérés respectivement 58 et 59 et exposent ou découvrent des portions 25 respectivement des coins d'émetteur 55 et 56. le contact ohmique est réalisé avec les coins d'émetteur d'une manière semblable à celle décrite ci-dessus dans le BAD ORIGINAL 71 02679 9 2080642 mode de réalisation préféré, excepté qu'une pluralité de "pattes" ou de languettes métalliques s'étend depuis l'anneau de contact métallique 38 ot par-dessus le revêtement 53 pour réaliser le contact avec les coins d'émetteur à travers l'orifice 5 d'émetteur correspondant. Sur les figures 3 et 4, une patte, repérée par le chiffre de référence 60, réalise le contact avec le coin d'émetteur 56 à travers l'orifice d'émetteur 59. le contact ohmique de base est également semblable à celui du mode de réalisation préféré, excepté que la couche de contact 10 circulaire de base 62 du transistor '50 comprend une pluralité de pattes de contact de base, chaque patte s'étendant jusqu'à l'extrémité de la fente de base correspondante, l'une des pattes de contact de base est numérotée 64 sur les figures 3 et 4. En variante, une structure de contact, identique à celle 15 révélée en se référant au transistor 10, peut être employée avec le transistor 50 en réduisant la longueur des fentes de base sur le revêtement d'oxyde. Un transistor de puissance à haute fréquence, construit conformément à la présente invention, procure beaucoup 20 d'avantages inconnus jusqu'à présent dans des dispositifs à émetteur à mailles de la technique antérieure. Tout d'abord, la conception radiale du dispositif réalise une meilleure répartition ou distribution de température puisque ceux des segments de l'émetteur, qui injectent le plus de courant 25 électrique, sont situés autour de la périphérie du dispositif. En second lieu, les portions en forme de coin de la région d'émetteur réalisent un haut degré d'uniformité d'injection de courant électrique le long de la jonction émetteur -base. En outre, la géométrie de l'ensemble émetteur-base du 30 dispositif est extrêmement souple par le fait qu'un coin d'émetteur plus étroit peut être utilisé en permettant un rapport accru de la périphérie d'émetteur à la surface de base, lequel détermine les caractéristiques de fréquence et de gain de puissance maximaux du transistor . En troisième lieu, l'emplace-35 ment de la couche de contact de base au centre du dispositif permet au fil conducteur ou de connexion de base d'être directement superposé aux contacts de base. Ceci a pour résultat une très faible :V;v- BAD ORIGINAL 71 02679 10 2080642 inductance de fil conducteur de base en rendant la structure idéale pour un transdat-or à base commune. Par ailleurs, l'emplacement de la. eouche de contact de base au centre du dispositif favorise la réduction de température au centre qui, par relèvement, enregistrement ou tracé thermique (par rayons jnfia-rouges ), présente la plus haute température dans des transistors de puissance à radiofréquence ou à haute fréquence. D'autres avantages proviennent de l'emploi d'autres techniques bien connues de ceux qui sont spécialisés dans la conception de transistors de puissance à haute fréquence. Par exemple,le dispositif est compatible avec la ieelmofogie existante dite "flip-chip" ou de connexion par œticropavés ou micropiliers, ou bien il peut être utilisé dans une structure multicellulaire. La diffusion peu profonde de type P+ à travers les fentes de contact de base permet aux coins d'émetteur d'être espacés d'une façon plus serré ou d'être plus rapprochés les uns des autres pour accroître le rapport de la périphérie d'émetteur à la surface de base. En outre-, bien qu'un dispositif du type N P I ait été décrit, un dispositif complémentaire de type P U P se trouve compris dans le cadre de la présente invention. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. ^IBAD ORIGINAL 71 02679 11 2080642 REVENDICATIONS 1Dispositif à semiconducteur, du type comprenant un corps semiconducteur cristallin ayant une surface principale ou grande comportant une partie centrale, caractérisé en ce qu'il comprend : une région de collecteur à l'intérieur du corps , 5 ayant un moyeu s'étendant jusqu'à ladite surface et comprenant ladite partie centrale; une région annulaire de base disposée au voisinage de ladite région de collecteur et autour dudit moyeu, des portions de ladite région de base s'étendant jusqu'à ladite surface et formant une pluralité de lobes radiaux autour 10 dudit moyeu; une région d'émetteur comprenant un anneau ou une couronne encerclant les extrémités desdits lobes de base; et des portions en forme de coins s'étendant depuis ledit anneau vers ledit moyeu et entre lesdits lobes de baêe adjacents, et des moyengjpour réaliser un contact ohmique avec ladite 15 région d'émetteur, avec ladite région de base et avec ladite région de collecteur 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens précités pour réaliser un contact ohmique avec la région d'émetteur précitée comprennent un revêtement isolant 20 sur la surface précitée, ayant un orifice exposant ou découvrant des portions de l'anneau d'émetteur précité à ladite surface, une'couche de contact métallique réalisant un contact ohmique avec-ledit anneau d'émetteur à travers ledit orifice et une paire de pattes de liaison métalliques placées 25 sur ledit revêtement et contiguës à ladite couche métallique. 3.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens précités pour réaliser un contact ohmique avec la région de base précitée coaiprennent un revêtement isolant placé sur la surface précitée et ayant une pluralité de fentes, 20 chaque fente exposant ou découvrant une portion d'un lobe de base précité correspondant à ladite surface, et une couche métallique disposée siir une portion dudit revêtement et à travers • lesditës fentes. 4.- Dispositif selon la revendication 3> caractérisé en ce 35 qu'il comporte en outre une région peu profonde de haute ja~ bad original 71 02679 12 2080642 conductivité à l'intérieur de chaque lobe de base précité et du même type de conductivité que la région de base précitée. 5. Dispositif à semiconducteur, du type comprenant un corps semiconducteur cristallin ayant une surface principale 5 ou grande comportant une portion centrale sur celle-ci, des régions respectivement d'émetteur et de base et de collecteur dans ledit corps et des moyens pour réaliser un contact ohmique avec chacune desdites régions respectivement d'émetteur, de base et de collecteur, caractérisé en ce que ladite région de 10 collecteur comprend un moyeu s'étendant jusqu'à ladite surface et comprenant ladite portion centrale, et -ladite région de base est annulaire et adjacente à ladite région de collecteur et autour des portions de moyeu de ladite région de base s'étendant jusqu'à ladite surface sous forme d'une pluralité 15 de lobes radiaux autour dudit moyeu, tandis que ledit émetteur comprend une pluralité de régions d'émetteur en forme de coin adjacentes à ladite région de base, chaque région d'émetteur en forme de coin s'étendant vers ledit moyeu et entre des lobes de base adjacents. 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