Brevet FR2106574A1 — publié le 19720505

La présente invention se rapporte généralement à des • dispositifs semi-conducteurs ; en particulier, elle concerne généralement et essentiellement pour objet des transistors de puissanceajanbnotamment des concentrations contrôlées d'impuretés 5 d'émetteur ou analogues et un procédé de fabrication de ceux-ci, ainsi que les diverses obligations et utilisations résultant de leur mise en oeuvre et les systèmes, ensembles, appareils circuits, équipements et installation pourvus de tels transistors. 10 Des transistors, conçus pour manipuler une puissance relativement élevée, ont été limité dans leurs caractéristiques de fonctionnement par un phénomène indésirable connu sous le nom de second claquage ou seconde disrupture ou analogue. le second claquage est un état du dispositif dans lequel le courant électri-15 que d'émetteur se concentre dans des régions locales de l'émetteur et surciiauffe localement le transistor en causant souvent une détérioration grave ou une destruction complète du dispositif. Pour une discussion détaillée du second claquage, voir le brevet américain N° 3-286.138 au nom de W.SHOCKLEY. 20 Une amélioration des caractéristiques de second claquage a été réalisée en utilisant des moyens formant résistance ballast, d'équilibrage ou de charge, associés à des portions discrètes de l'émetteur afin de limiter l'intensité maximale du courant électrique qui peut s'écouler entre le contact d'émetteur et la 25 jonction entre émetteur et base. Voir par exemple le brevet américain N°3-448.354 au nom de COHEN. Cependant, des techniques de ballastage ou d'équilibrage de l'art antérieur sont relativement sophistiquées et ne sont pas faisables pour tous les types de construction de transistor. D'autres techniques sont par conséquent 30 nécessaires pour conférer de bonnes caractéristiques de second claquage. La présente invention comprend un transistor formé dans un corps semi-conducteur ayant une surface principale ou grande surface. Le transistor comprend une région de collecteur d'un 35 premier type de conductivité dans le corps et une région de base d'un second type de conductivité adjacente à la région de collecteur ; la région de base s'étend jusqu'à la surface du corps. 71 32764 2106574 Une région d'émetteur d'un premier type de conductivité s'étend dans la région de. "base à partir de la surface et forme" une jonction entre émetteur et base avec la région de base. la portion de la région de base, qui est a.tuée entre les régions 5 respectivement d'émetteur et de collecteur, possède une résistance de feuille donnée et la portion de la région d'émetteur^ qui est adjacente à la jonction entre émetteur et base, a une résistance de feuille approximativement" égale à cette résistance de feuille de la région de base divisée par le paramètre maximal 10 bêta du transistor.. L'invention comprend également un procédé pour fabriquer le transistor. Le. procédé comprend les opérations consistant à choisir la valeur maximale de bêta pour le transistor, a calculer la résistance de feuille de la région de base en dessous 15 de la région d'émetteur, telle quelle se.ra après que la région d'émetteur est formée, à diviser la résistance de feuille de la région de base par la valeur bêta choisie et à former une région d'émetteur ayant une résistance de feuille au voisinage de la jonction entre'émetteur et base qui est approximativement 20 égale au résultat de l'opération de division. 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 au dessin schématique annexé donné 25 uniquement à titre d'exemple non limitatif illustrant un mode de réalisation-de l'invention et dans lequel : - la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un transistor conforme à la présente invention ; et - la figure 2 est un diagramme graphique représentant la variation du paramètre en fonction de l'intensité du courant électrique de collecteur d'un transistor analogue à celui de la figure 1. EXEMPLE I 30 Un transistor de puissance conforme à la présente, invention 35 sera décrit en se référant au dessin. Le transistor, désigné généralement par le chiffre de "référence 1 0, est formé dans un corps semi-conducteur 12 ayant des surfaces respectivement 71 32764 3 2106574 supérieure 14 et inférieur 16. De préférence, le corps semiconducteur 12 est du silicium. Les dimensions du corps 12 ne sont pas un facteur critique. Le transistor 10 peut être un dispositif du type NPN ou du type PNP ; cependant, un 5 dispositif du type NPÎf est représenté dans le dessin et décrit en s'y référant. A l'intérieur du corps semi-conducteur 12 est formée une région de collecteur 18 du type N. Les paramètres et dimensions de la région de collecteur 18 ne sont pas des facteurs critiques 10 et sont déterminés par des critères de conception ou de construction de transistor bien connus dans la technique. Le transistor 10 comprend également une région de "base 20 du type P adjacente à la région de collecteur 18 du type N, avec une jonction entre base et collecteur 26 du type PU entre celles-15 ci. Une portion de la région de base 20 s'étend jusqu'à la surface supérieure 14. Une région d'émetteur 28 du type N s'étend dans la région de base 20 à partir de la surface supérieure 14, avec une jonction entre émetteur et base 30 du type PN entre celles-ci. Un revêtement ou enduit isolant 40, par exemple 20 du bioxyde de silicium ou silice, est disposé sur la surface supérieure 14. Le revêtement 40 comporte un orifice d'émetteur 42 qui expose ou .découvre une zone intérieure 43 de la région d'émetteur 28 à la surface supérieure 14. Une couche de contact conductrice d'émetteur 44 est disposée à travers l'orifice 25 d'émetteur 42 et réalise le contact seulement avec la zone intérieure 43 de la région d'émetteur 28 à la surface supérieure 14. D'une manière analogue, le revêtement 40 comporte des orifices de base 46 à travers lesquels est disposée une couche de contact de base 48. 30 Les paramètres de la région de base 20 sont également déterminées par des critères de conception bien connus et,.dès que la région d'émetteur 28 est formée dans la région de base 20, la portion 32 de la région de base, qui est située entre la région de collecteur 18 et la région d'émetteur 28,possède une 35 résistance de feuille donnée qui peut être calculée avant la formation de la région d'émetteur 28 comme cela est décrit dans les exemples exposés ci-dessous. Généralement, cette résistance 71 32764 4 2106574 de feuille (p^) ^-e la région de "base, dans cette portion de région de base 32 après formation de la région d'émetteur 28, est comprise entre 1000 et 4000 ohms par aire carréepour des dispositifs du type PEP et entre 3000 et 8000 ohms par aire carré pour des dispositifs du type 1PU. Conformément à cette invention, la portion 34 de la région d'émetteur 28,qui est adjacente à la jonction entre émetteur et base"30, possède une résistance de feuille (pg) qui est approximativement égale à la résistance de feuille de la portion de région de base 32, divisée par la valeur maximale du paramètre ( ) du transistor 10. Cec'i signifie que la résistance de feuille de la portion de région d'émetteur 34 est donnée par l'expression suivante : Pe =-ï P 15 le terme "approximativement" est destiné à signifier que la résistance de feuille de la portion de région d'émetteur 34 est dans la limite de 50 $ de la valeur calculée, déterminée à partir de 1'expression oj-dessus. Cependant; une résistance de feuille d'émetteur, comprise dans 25 % de la valeur calculée, 20 est préférée. A titre d'exemple, si la valeur calculée de est de 50,0 ohms par aire carrés on préfère alors que la valeur réelle de de la portion de région d'émetteur 34 soit comprise entre 37,5 et 62,5 ohms par aire carréa Le paramètre ^ est défini comme étant le rapport de l'intensité I du courant 25 électrique de collecteur à l'intensité 1^ du courant électrique de base quand le transistor 10 fonctionne avec une jonction entre émetteur et base 30 polarisée dans le sens direct. Le paramètre maximal P est défini comme étant la plus haute valeur jS susceptible d'être obtenue dans le transistor 10 dans le domaine 30 de fonctionnement de l'intensité I du courant électrique de collecteur. La figure 2 représente une courbe typique 50 du paramètre tracée sous, forme de logarithme du rapport en fonction de l'intensité I du courant électrique de collecteur. Le point 52 sur la courbe 50 représente la valeur maximale du 35 paramètre qui peut être choisie pendant la fabrication du transistor comme cela est décrit ci-dessous. Le transistor 10 réalise.une bonne caractéristique de second 71 32764 2106574 calquage de la manière suivante. Comme cela est représenté schématiquement dans le dessin,: la portion de région d'émetteur 34, entre la zone en dessous de la couche de contact d'émetteur 44 et la périphérie de la jonction entre émetteur et base 30, 5 possède une chute de tension électrique I R , c'est-à-dire, 6 6 la chute de tension électrique créée par le courant électrique d'émetteur d'intensité I s'écoulant à travers la portion de région d'émetteur 34 jusqu'à la périphérie de l'émetteur. D'une manière analogue, la portion de région de base 32 présente 10 une chute de tension électrique inhérente 1^ R^ causée par le courant électrique de base d'intensité 1^ s'écoulant à travers la région de base le long d'un trajet similaire adjacent à la jonction 30 entre émetteur et base, les chutes de tension électrique Ig Rg et 1^ R^ sont directement dépendantes de la résistance 15 de feuille dans les régions respectivement d'émetteur et de base et sont reliées l'une à l'autre par la valeur maximale du paramètre f$ du transistor comme cela est indiqué dans la corrélation exposée ci-dessus. Cette corrélation crée un potentiel de polarisation plus uniforme le long de la jonction 30 entre émetteur et base et 20 à son tour, a pour résultat une injection de courant électrique d'émetteur plus uniforme le long de cette jonction, ce qui réduit l'accumulation de courant électrique. Cette réduction de l'accumulation cfe courant électrique empêche la formation de points chauds locaux qui mènent au second claquage et en outre améliore davan-25 tage la linéarité de gain. la matière de départ était une pastille ou plaquette de silicium du type H ayant une résistance de feuille de 0,01.ohm par aire carrée et une épaisseur de 178 microns. Cette pastille fortement conductrice sert de substrat de collecteur du type N+ . 30 Une première couche du type de conductivité ïf fut déposée sur la plaquette par des techniques de déposition épitaxiale bien connues dans la technique. Cette couche avait 25 microns d'épaisseur et avait une résistance de feuille de 15,0 ohms par aire carrée. Ensuite une région de base du type de conductivité 35 3? fut diffusée dans la couche de collecteur du type F. Cette couche de région de base avait 5 microns d'épaisseur. Il a été déterminé que la région de base 28 doit s'étendre sur une 71 32764 6 2106574 10 '15 25 profondeur de 2 microns dans la région de base 20 après diffusion. Par calcul, il fut ensuite déterminé que la portion de région de base finale, entre les régions respectivement de collecteur et d'émetteur, auraient une résistance de feuille d'environ 3000 ohms par aire carrée. Comme la région de base dans cet exemple est du type P, ce calcul fut basé sur la solution simultanée des deux équations suivantes : (D 447,3 + 47,7 > = / P (2) 1 = Ru 0,76 q)dx ou 20 M = la mobilité des trous dans le"silicium du type P, P jei— la valeur absolue de la concentration d'atomes d'impureté du type P (nombre d'atomes/cm ), q = 1,6 x 10"19 coulombs. X ,X = les distances précitées de la surface supérieure 14 e c ^ respectivement aux jonctions entre emetteur et base et entre base et collecteur, et = la résistance de feuille dans la portion de région de base 32 telle quelle sera après diffusion de l'émetteur, la manière dont Rb est calculée avant la diffusion de l'émetteur est connue. Par exemple, l'équation (1) ci-dessus est graphiquement représentée à la page 68 et l'équation (2) est décrite à 30 la page 217 du livre Philips intitulé Transistor Engineering, publié par les Editions Me G-raw-Hill en 1962. On notera que, pour une région de base formée par des techniques- épitaxiales, l'opération de calcul nécessite simplement une détermination de la résistance de feuille en tout point, puisque 35 la résistance de feuille d'une couche épitaxiale est uniforme. Ce transistor devait être employé comme dispositif commutateur à grande vitesse. Par conséquent, un paramètre d'une valeur 71 32764 7 2106574 maximale relativement basse égale à 80 fut choisi pour assurer une bonne caractéristique de vitesse de commutation de courant électrique. La résistance de feuille calculée de la région de base de 3000 ohms par aire carrée fut divisée par la valeur 5 maximale 80 du paramètre ^ et un résultat égal à 47,5 ohms par aire carrée fut obtenu. Une région d'émetteur 28 fut ensuite diffusée dans la région de base 20, de sorte que la résistance de feuille, dans la portion de région d'émetteur 34 adjacente à la jonction 30 entre émetteur et base, était approximativement 10 de 47,5 ohms par aire carrée. Ceci fut accompli de la manière suivante. Tout d'abord, le revêtement d'oxyde fut traité avec une séquence opératoire d'attaque, de corrosion, de décapage ou de rognage chimique d'une substance photorésistive normalisée pour exposer la surface supérieure 14 là où l'émetteur devait être 15 diffusé. Une couche mince de verre dopé au phosphore fut déposée sur la surface, en utilisant de 1'oxychlorure de phosphore dans un four de déposition, par des techniques connues. La concentration erjsurface de l'impureté phosphore n'est pas critique et peut varier selon la profondeur désirée d'émetteur, 20 la durée et la température de diffusion. Il était seulement nécessaire que la région d'émetteur résultante ait une résistance de feuille d'approximativement 47,5 ohms par aire carrée au voisinage de la jonction entre émetteur et base. Dans cet exemple, ceci fut obtenu en utilisant une couche déposée de 25 phosphore ayant une concentration superficielle initiale de 7,5 x 18 3 10 atomes/cm . La plaquette fut ensuite placée dans un four de diffusion pendant 0,5 h à 1075°C. La région d'émetteur résultante s'étendait sur une distance de 2 microns dans la région de base et avait la résistance de feuille désirée au 30 voisinage de la jonction entre émetteur et base. Des contacts métalliques furent déposées sur les régions respectivement d'émetteur, de base et d„ collecteur, la plaquette fut divisée en dés ou cubes en des pastilles individuelles et chaque pastille fut liée de façon adhérente à la tête d'un paquet formant dispo-35 sitif. Les caractéristiques de fonctionnement des transistors à émetteur contrôlé ou commandé furent ensuite mesurées et comparées avec des transistors ayant des concentrations d'émetteur normalisées 71 32764 2106574 20 3 /• d'environ 10 atomes/ cm et une résistance de feuille de 0,1 ohm par aire carrée au voisinage de la jonction entre émetteur et base. Les dispositifs à la fois contrôlés et non contrôlés étaient identiques en structure et en géométrie y compris la configuration 5 d'émetteur. Il fut constaté que le second claquage et les capacités de courant électrique pulsatoire de pointe ou de crête des transistors à émetteur commandé étaient améliorées d'un facteur de deux par rapport aux transistors réalisés avec des concentrations de diffusion .normalisées. En outre,les 10 dispositifs à émetteur commandé présentaient un accroissement de linéarité de gain par rapport aux dispositifs non-commandés. En outre,les dispositifs à émetteur commandé avaient des durées d'accumulation et des temps de décroissance qui s'élevaient en moyenne à moins de la moitié de ceux des dispositifs normalisés 15 en donnant ainsi des caractéristiques de commutation améliorées pour les transistors ayant des concentrations d'émetteur contrôlées. Exemple II La matière de départ était une plaquette de collecteur en silicium du type P ayant une résistance de feuille de 20 0,1 ohm parairecarréeet une épaisseur de 178 microns. Une couche de collecteur du type P, de 25 microns d'épaisseur et ayant une résistance de feuille de 20 ohms par aire carre^ fut déposée épitaxialement sur la plaquette de collecteur. Une couche de région de base du type N fut ensuite diffusée dans la couche 25 de collecteur. La région de base avait une épaisseur de 5 microns. La région d'émetteur devait s'étendre sur 2,54 microns dans la région de base après diffusion de l'émetteur. Par calcul, il fut déterminé que-la portion de région de base devrait avoir une résistance de feuille de 1000 ohms par aire carréeentre l'émetteur 30 et le collecteur après l'opération de diffusion de l'émetteur. Oe calcul, pour une région de base du type M",est basé sur la solution simultanée des deux équations suivantes : 71 32764 9 2106574 d) A 1265 T+ I c 1 .8,5 x 10 + 65 16 0 , 72 10 (2) *b Xr /'/• xf q)dx ou 15 20 25 30 35 il la mobilité des électrons dans le silicium de type N> |e|= la valeur absolue de la concentration en atomes rz d'impureté du type N (nombre d'atomes/cm ) , q = 1,6 x -1 9 10 coulomb, X^,Xc = les distances précitées de la surface supérieure de la plaquette de silicium aux jonctions respectivement entre émetteur et base et entre base et collecteur, et R^ = la résistance de feuille dans la portion de la région de base telle quelle sera après la diffusion de l'émetteur. Une valeur maximale désirée du paramètre égale à 100 fut choisie pour le dispositif. La. résistance de feuille de la région de base de 1000 ohms par aire carré fut divisée par la valeur 100 du paramètre p et un résultat égal à 10 ohms par aire carréefut obtenu. Le revêtement d'oxyde fut ensuite traité par une séquence d'attaque ou de rognage chimique d'une substance photorésistive normalisée pour exposer la portion de la surface supérieure de la région de base là où la région d'émetteur devait être située. Une source d'impuretés formée par du bore ,ayant une concentration 19 3 en surface de 2 x 10 atomes / cm , fut déposée sur la zone exposée. La plaquette fut ensuite placée dans un four de diffusion et chauffée jusqu'à 1150°C pendant 0,3 h. La région finale 71 32764 10 2106574 d'émetteur avait une profondeur de 2,54 microns et une résistance de feuille d'approximativement 10 ohms par aire carrée" au voisinage de la jonction entre émetteur et base. Des contacts métalliques furent déposés par-dessus les régions 5 d'émetteur de base et.de collecteur ; la plaquette fut divisée en dés ou cubes en des pastilles individuelles et chaque pastille fut montée sur un module ou une tête formant un paquet. Les caractéristiques de fonctionnement du dispositif, réalisé de cette manière, furent mesurées et comparées avec des transistors 10 identiques réalisés sans contrôl-%: ou réglage de la concentration en impureté de l'émetteur. Les transistors à émetteur contrôlé s'avérèrent avoir des améliorations semblables à celles décrites dans l'exemple I. Bient entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes 15 de réalisations décrits 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 et mises en oeuvre dans le cadre des 20 revendications qui suivent. 11 71 32764 2106574 REVENDICATIONS 1. Dispositif formant transistor du type comprenant un corps semi-conducteur ayant un . surface principale ou grande surface, une région de collecteur d'un premier type de conductivité dans ledit corps, une région de base d'un second type ae 5 conductivité, adjacente à ladite région de collecteur, ladite région de base s'étendant jusqu'à ladite surface et une région d'émetteur d'un premie^type de conductivité s'étendant dans ladite région de base à partir de ladite surface, &vec uns jonction entre émetteur et base du type PN entre celles-ci, '0 ladite région de base, entre lesdites régions d'émetteur et de collecteur,ayant une résistance de feuille donnée, caractérisé en ce que la portion de ladite région d'émetteur, qui est adjacente à ladite jonction entre émetteur et base, a une résistance de feuille approximativement égale à ladite résistance '5 de feuille donnée cfe la région de base divisée par la valeur maximale du paramètre p dudit transistor. 2. Dispositif selon la revendication 1,caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche conductrice disposée seulement sur une zone intérieure de la région d'émetteur précitée à la 20 seconde surface précitée. 3- Dispositif selon la revendication 1 ou 2>caractérisé en ce que la résistance de feuille de la région de base précitée est comprise entre 1000 et 8000 ohms par aire carré; 4. Procédé de fabrication d'un transistor selon l'une des 25 revendications précédentes dans un corps semi-conducteur ayant une surface principale ou grande surface, ledit corps comprenant une région de collecteur d'un premier type de conductivité et une région de base d'un second type de conductivité adjacente à ladite région de collecteur, ladite région de base s'étendant 30 jusqu'à ladite surface et ledit procédé étant caractérisé par les opérations consistant à choisir une valeur maximale désirée du paramètre p pour ledit transistor, à calculer la résistance de feuille de ladite région de base entre ladite région de 71 32764 12 2106574 collecteur et une région d'émetteur telle quelle sera après une opération de formation de région d'émetteur,à diviser la résistance de feuille de-ladite région de base par ladite valeur maximale du paramètre |3 et à former une région 5 d'émetteur d'un premier type de conductivité adjacente à ladite région de "base avec une jonction entre émetteur et base entre celles-ci, de façon que ladite région d'émetteur, adjacente à ladite jonction du type PU, ait une résistance de feuille approximativement égale, au résultat de la division de la 10 résistance de feuille de ladite région de base par ladite valeur maximale du paramètre . 5- Procédé selon la revendication 4,caractérisé en ce que 1'opération précitée de formation de la région d'émetteur consiste à déposer une impureté d'un premier type de conducti-15 vite sur une portion de la surface précitée, d'une concentration suffisante pour réaliser la résistance de feuille désirée dans la région d'émetteur au voisinage de la jonction précitée entre émetteur et base après diffusion et à diffuser ladite impureté dans le corps précité..