Brevet FR2123118A1 — publié le 19720908

La présente invention concerne un transistor de type plan épitaxial multi-émetteur comprenant : une région de collecteur d'un premier type de conductivité, formée par un dépôt épitaxique sur un substrat, une région de base d'un second type de conductivité opposé au premier, effleurant la surface épitaxique opposée au substrat, diffusée à partir de cette surface dans la couche dudit collecteur, la jonction collecteur-base comprenant une partie sensiblement plane parallèle à ladite surface et une partie annulaire affleurant ladite surface, et une région d'émetteure du premier type de conductivité, formée d'une pluralité d'îlots diffusés dans ladite région de base à partir de ladite surface, les jonctions émetteurs-base affleurant cette dernière, et des contacts étant pris sur ladite base par une pluralité de plages conductrices réparties sur la majeure partie de la surface d'affleurement de cette rn.Srrion de base. Les transistors de type plan destinés à fonctionner à très forte puissance, en particulier des transistors a haute fréquence, volent leur pouvoir de traitement de puissance fortement diminuer, surtout lorsqu'ils sont utilisés sur une charge non résistive,par le phénomène dit second claquage (ou claquage secondaire), le fonc- tionnement du transistor à l'état de claquage secondaire risquant d'entraîner sa destruction. Le second claquage eut apparaître lorsqu'on transistor foeic- tionne avec uns commande en direct de la jonction emetteur-base et que la tension inverse sur la jonction collecteur-base deviens assez élevée pour provoquer un claquage du type thermique, en des points préférentiels, où des phénomènes de pincement dans la région de base entraînent de plus fortes densités de courant0 Divers procédé ont été proposée dans le but d'améliorer le comportament d'un transistor à l'apparition de ce phénomène de second claquage en direct, en particulier dans le cas où le transistor est an multi-émetteur.Dans ce denier cas, les performances du transistor peuvent eAtre améliorées vis-à-vis du second cla- quage en direct, au moyen de résistances, :ises en série avec chacun des émetteurs du transistor et qui permettent d'établir une répartition équilibrée des courants entre les divers émetteurs. Mais cette amélioration ne pallie pas le second claquage en inverse, qui apparaît lorsque la jonction émetteur-base est comman- dée dans le sens inverse et que la tension inverse sur la jonction collecteur-base augmente jusqu'au premier claquage. Ce premier claquage se produit aux points de plus forte concentration de porteurs de la région de base, qui sont dans la généralité des cas,les points où la jonction affleure la surface du cristal.te courant va alors aux contacts les plus proches. Il se crée dans la base des hétérogénéités de densité de courant et des points chauds,aboutissant au second claquage et à la destruction du transistor. Selon une méthode connue destinée à pallier cet inconvénient, une diode dont la tension de claquage est inférieure à celle de la jonction base-collecteur, est branchée en parallèle avec cette dernière.Une telle diode est décrite dans le brevet français 1 529 l9 dans différentes formes de réalisation,selon ltune desquelles des points de tension de claquage diminuée sont établis grâce à des différences de gradient de concentration dtimpuretés obtenues par différentes profondeurs de diffusion. Mais l'amélioration obtenue par ce procédé est limitée par les possibilités de diffusion dans le matériau semiconducteur des impuretés de dopage nécessaires; les profondeurs de diffusion ne pouvant présenter de grands écarts et les différences de gradient étant peu marquées. Le procédé selon l'invention tendant à améliorer le comportement d'un transistor multi-émetteur, utilisé à forte puissance et par exemple en haute fréquence, tient compte des régimes transitoires apparaissant au cours de la commutation de la jonction émetteurbase du transistor, du sens direct au sens inverse et du sens inverse au sens direct, en particulier lorsque la charge est non résistive. Lorsque le transistor est dans le sens direct,la jonction émetteur-base étant polarisée en direct, le courant de base circule entre les divers contacts de base et les différentes portions de jonction émetteur-base, à l'intérieur des zones préférentielles de la base. Un claquage en avalanche de la jonction collecteur-base se produit en des points de ces zones, situés au plus près des centres de ces portions de jonction émetteur-base. Lorsque le transistor est commuté en inverse, la jonction émetteur-base étant polarisée en inverse, un claquage en avalanche de la jonction collecteur-base se produit aux points de plus forte concentration en impuretés de dopage qui, pour un transistor à base diffusée, sont situés à l'affleurement de la jonction à la surface du dispositif.'te courant de base circule alors en direction du ou des contacts de base les plus proches, certains contacts ne recevant que peu ou pas de courant. Dans le cas d'une géométrie du type dit interdigitée, les seuls contacts extrêmes du peigne d'in terconnexion participent au passage du courant de base. L'un des buts de la présente invention est de remédier à ce déséquilibre entre les contacts de base, de façon que les courants de base passent en inverse par les mimes contacts de base quten direct et que les courants s'équilibrent entre les différents contacts de base, Selon l'invention, un transistor multi-émetteur de type plan épitaxial, comprenant : une région de collecteur d'un premier type de conductivité, formé par un dépit épitaxique sur un substrat,une région de base d'un second type de conductivité opposé au premier, affleurant la surface épitaxique opposée au substrat, diffusée à partir de cette surface dans la couche déposée dudit collecteur,la jonction collecteur-base comprenant une partie sensiblement plane parallèle à ladite surface et une partie annulaire affleurant la dite surface, et une région d'émetteur du premier type de conductivité, formée d'une pluralité d'îlots diffusés dans ladite région de base à partir de ladite surface, les jonctions émetteur-base affleurant cette dernière, et des contacts étant pris sur ladite base par une pluralité de plages réparties sur la majeure partie de la surface d'affleurement de la région de base, est remarquable en ce que ledit collecteur comporte des zones à plus forte concentration d'impuretés que ledit dépôt épitaxique, dans lesquelles la concentration en impuretés de dopage est décroissante à partir d'un plan correspondant sensiblement à ladite partie plane de la jonction collecteur-base, ces zones étant localisées sous lesdites plages de contact de la région de base. Le comportement à puissance élevée, d'un transistor selon l'invention est amélioré. Du fait desdites zones à plus forte concentration la jonction base-collecteur présente localement des flots à gradients opposés; et en ces points, le phénomène de premier claquage apparatt préférentiellement du fait que ces gradients provoquent un profil de jonction plus abrupt que celui présenté par les autres zones de la jonction.Ainsi, les contacts de base situés à l'aplomb de ces points peuvent servir au passage du courant de base qui se répartit entre eux aussi bien en direct qu'en inverse. tes phénomènes transitoires, aléatoires, provoqués par le passage de direct en inverse sont stabilisés, les hétérogénéités thermiques sont éliminées, ce qui permet d'améliorer la puissance que peut traiter le transistor, Il a été proposé de diffuser des zones localisées à forte concentration entre deux couches d'un collecteur afin de réaliser ainsi une diode de plus faible tension de claquage que la jonction collecteur-base.Mais selon ce procédé, décrit dans la publication "Neues aus des Technik" NO 4 du ler Juillet 1969, page 2, la région de base a une épaisseur telle qu'elle n'atteint pas lesdites zones et la tension de claquage est ainsi déterminée par la progression de la région de charge d'espace dans le collecteur.L'efficacité du dispositif nécessite de prévoir un abaissement sensible de la tension de claquage, L'invention permet au contraire d'obtenir une amélioration sans trop modifier la tension d'apparition du claquage de la jonction collecteur-base. De préférence, l'abaissement de la tension de claquage de cette jonction est seulement d'environ 10%. Dans une forme avantageuse de réalisation, les concentrations en impuretés de dopage de la région de collecteur sont dans lesdites zones à plus forte concentration de tordre du double de celle de la couche épitaxique de cette région de collecteur. Une augmentation de la concentration dans un rapport de l'ordre de 2 est considéré dans les techniques de matériaux semiconducteurs comme relativement faible. Cette faible augmentation, dans les conditions du transistor selon l'invention, est suffisante pour améliorer la tenue du transistor au second claquage, sans pour autant diminuer notablement la tension d'avalanche de la jonction basecollecteur et les possibilités en tension du transistor. Par contre cette augmentation de concentration entraîne une diminution du courant de fuite, avant claquage par avalanche, dans les parties de jonction intéressées. Selon un mode préférentiel de réalisation d'un transistor selon l'invention, lesdites zones de collecteur présentant une plus forte concentration sont obtenues au moyen d'une diffusion d'impuretés de dopage donnant le premier type de conductivité à partir d'un dépot de prédiffusion effectué localement sur une première couche épitaxique de collecteur, avant dépit épitaxique dtune seconde couche, ces deux couches, constituant le collecteur, étant sensiblement de meme résistivité et la base du transistor étant ensuite diffusée jusqu'à atteindre la première couche, après quoi les ilote d'émetteur sont diffusés dans la région de base, Par exemple, dans le cas d'un transistor de type LISPS, une première couche épitaxique de type N, à résistivité élevée est déposée sur un substrat de type N+ tres dopé. tes plages de prédiffusion de type N+ sont déposée sur cette première couche à des emplacements correspondant à ceux des contacts de base envisagés. Une seconde couche épitaxique de type 5, à résistivlté élevée est déposée sur la première. La région de base est ensuite obtenue par diffusion d'une impureté donnant le type de conductivité p et les émetteurs sont obtenus par diffusion d'Imrretés donnant le type de conductivité N Au cours du dépit de la seconde couche et au cours des diffusions de base et d'émetteurs, il se produit une diffusion des plages déposées entre les deux couches, l'impureté de dopage choisie pour ces plages ayant un coefficient de diffusion assez faible pour que cette diffusion reste limitée. Le procédé ci-dessus ne comporte que des opérations bien connues dans la technique de fabrication de dispositifs semiconducteurs et le nombre de ces opérations reste minimal. Dans une autre forme de réalisation, les zones à gradients opposés sont obtenues par épitaxie localisée, donnant lieu à diffusion lors des opérations thermiques subséquentes Ces zones épitaxiées localisées peuvent être déposées sur une première couche épitaxique de collecteur avant dépôt épitaxique d'une seconde couche, ces deux couches constituant le collecteur, étant sensiblement de meme résistivité et la surface en étant au besoin rendue plane après dépôt, Ces zones épitaxiées localisées peuvent également être déposées dans des rainures gravées à la surface de ladite première couche, avant dévot de ladite seconde couche. Le procédé ci-dessus ne comporte que des opérations connues, ressortant de la technique de fabrication des dispositifs semiconducteurs, et permet d'obtenIr des gradients et concentrations d'impuretés précis et reproductibles. La structure du transistor, ses dimensions et la forme de ses réions, les concentrations,le choix des dopants, peuvent être déterminés en fonction des principales caractéristiques attendues, sans que l'amélioration de tenue au second claquage obtenue par la mise en oeuvre des procédés ci-dessus ne modifie sensibloeaent ces carac téristiques. L'invention est applicable plus particulièrement aux transis- tors utilisés en haute fréquence, elle est destinée particulièrement aux transistors de forte puissance comportant une multipier- té d'emétteurs, de contacts d' metteur et de contacts de base. ta description qui va suivre en regard des dessins annexés, don- nes à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'inventicn peut entre réalisée. La figure 1 est une coupe schématique d'un transistor multi émetteur, selon l'invention. Les figures 2a à 2h sont des coupes schématiques montrant les dlftérenbes tapes de la réalisation d'un transistor melon l'incon@@- tion suivant un procédé préférentiel. Il est à noter que les dimensions sur les dessins, sont considé- rablement exagérées et les proportions non respectées, à seule fin de rendre les figures plus claires. En outre, les couches superficielles d'oxyde n'ont pas été représantées. Le transistor de type NPN plan épitaxial, multi-émetteur,repre- enté sur la figure 1, comporte un substrat 1, par exemple en si licium de type N+ ; sur le substrat 1 s'étend une région de collecteur de type N, formé de deux couches épitaxies superposées 2 et 3. Une région de base 4 diffusée, de type P, est contenue dans la couche superficielle 3, sa profondeur étant sensiblement égale a l'épaisseur de cette dernière. A l'intérieur de cette région de base 4 sont disposés une pluralité d'émetteurs 5 diffusés, de type Des contacts 6 sont pris sur les différents émetteurs et des contacts 7 sont pris à la surface de la région de base 4, ces prises de contact 7 étant réparties sur la quasi totalité de la surfa- ce de la base.A l'aplomb de chaque contact 7, se trouve une zone 8 de même type de conductivité que le collecteur 2 mais de concentration plus forte, située au niveau 12 de la jonction 9 entre 1 base et le collecteur, niveau qui est aussi celui de la limite entre les deux couches épitaxique3 2 et 3. Le gradient de concentration dans les zones 8, considéré normale-nent au plan de la jonction 9 est opposé au gradient de cencen tration de la base 4, au moins au niveau où ces zones forment nonc- tion avec ladite base. Ces zones constituent ainsi des zones de claquage préférentielles et, lors du passage de la commande direct te à la commande inverse de la base, les courants de base cent nuent de passer par tous les contacts de bas T situés à lapi des zones 8.Le premier claquage d'avalanche ne se produit pas systématiquement dans la partie 10 de la jonction proche de la surface, du fait de la concentration plus élevée dans la zone 11 de la base diffusée, comme cela se produisait dans des transistors connus, de mme type, L'écartement entre les diverses zones 8 est égal à l'écartement entre les divers contacts 7. Les largeurs des zones 8 sont réduites au minimum permis par les techniques connues de dépit localisé. Dans certains cas, une configuration à éléments très étroits du modèle appelé interdigité par exemple, nécessite une surface totale des zones 8 pouvant aller jusqu'à la moitié de la surface totale de jonction collecteur-base, du fait du faible écartement entre les contacts de base dans cette configuration. Les stades successifs de l'élaboration d'un transistor conforme à l'invention sont illustrés par les figures 2a à 2h. La plaquette de dépit 21 est représentée schématiquement en coupe sur la figure 2aO Une couche épitaxique 22 est déposée sur le substrat 21 (figure 2b)0Un dépit de prédiffusion 23 donnant le même type de conductivité que celui de la couche 22 est effectué sur la surface 24 de cette dernière selon des plages localisées, en des emplacements correspondant aux emplacements prévus pour les plages de contact de la région de base du transistor (fig.2c).La localisation est réalisée par exemple au moyen d'une photogravure, Une seconde couche épitaxique 25, de meme type de conductivité et de meme résistivité que la coùche -2 est déposée sur la surface 24 et sur les plages 23 (figure 2d)0 Dans la couche 25 est effectuée une diffusion d'impureté de dopage donnant un type de conductivité opposé à celui de la couche 25. Les conditions de diffusion sont déterminées pour que la région formée 26 ait la même épaisseur que la couche 25,la jonction formée étant au niveau de la surface 24 (figure 2e). Dans la région 26, sont diffusées des régions dffiémetteur 27,de meme type de conductivité que les couches 22 et 25,maie de forte concentration (figure 2f). Des conducteurs métalliques 28 sont déposés sur la région de base 26, les contacts étant assurés à travers des fenêtres ouvertes dans la couche d'oxyde résultant des opérations précédentes recouvrant la surface du transistor (figure 2g). Des conducteurs métalliques 29 sont déposés sur les émetteurs 27, les contacts étant assurés à travers des fenêtres ouvertes dans la couche d'oxyde résultant des opérations précédentes (fige 2h). KEVEBTDICATIONS lo/ - Transistor multi-émetteur de type plan épitaxial, comprenant : une région de collecteur d'un premier type de conductivité, formé par un dépôt épitaxique sur un substrat, une région de base d'un second type de conductivité opposé au premier, affleurant la surface épitaxique opposée au substrat, diffusée à partir de cette surface dans la couche déposée dudit collecteur, la jonction collecteur-base comprenant une partie sensiolement plane parallèle à ladite surface et une partie annulaire affleurant ladite surface, et une région d'emetteur du premier type de conductivité, formée d'une pluralité d'ilots diffusés dans ladite région de base à partir de ladite surface, les jonctions émetteur-base affleurant cette dernière et des contacts étant pris sur ladite Pase par une pluralité ae plages réparties sur la majeure partie de la surface d'affleurement de la région de base, caractérise en ce que ledit collecteur comporte des zones à plus forte concentration d'impuretés que ledit dépôt épitaxique, dans lesquelles la concentration en impuretés de dopage est décroissante à partir d'un plan correspondant sensiblement a ladite partie plane de la jonction collecteur-base, ces zones étant localisées sous lesdites plages de contact de la région de base. 23 , Transistor selon la revendication 1/, caractérisé en ce que les concentrations en impuretés de dopage de la région de collecteur sont dans lesdites zones à plus forte concentration de l'ordre du douole de celle de la couche épitaxique de collecteur. - - Procédé de réalisation d'un transistor selon l'une des revendications 1/ et 2/, caractérisé en ce que lesdites zones de collecteur à plus forte concentration sont obtenues au moyen d'une diffusion d'impuretés de dopage donnant le premier type de conductivité à partir d'un dépôt de prédiffusion effectué localement sur une première couche épitaxique de collecteur, avant dépôt épitaxique d'une seconde couche, ces deux couches, constituant le collecteur, étant sensiblement de même résistivité et ladite région de base étant ensuite diffusée jusqu'à atteindre la première couche, après quoi lesdits îlots d'émetteur sont diffusés dans la région de base. 40/ - Procédé de réalisation d'un transistor selon l'une des revendications 1/ et 2/, caractérisé en ce que lesdites zones de collecteur, à plus forte conoentration, sont obtenues par dépôt épitaxi que localisé sur une première coucne épitaxique de collecteur avant dépôt épitaxique 'une seconde couche, ce deux couches constituant le collecteur, tant sensiblement e menue résistivité, et ladite région Se rase étant ensuite diffusée jusqu'à atteindre la premiere couche, après quoi lesdits flots d'émetteure sont diffusés dans la région e base. - ~ Transistor selon l'une les revendications 1/ et 2/, carac- térisé en ce que lesdites zones sont obtenues par le procédé selon 3/ de diffusion d'impuretés de dopage donnant le premier type de conductivité partir d'un dévot ce prédiffusion effectué locale meiit sur une premiere couche e-:citaxique avant déoôt épitaxique d'une seconde couche, ces deux couches constituant le collecteur, étant sensiblement de mei:e résistivité et ladite région de base étant diffusée jusqu a ladite première coucne. - - Transistor selon l'une des revendications 1/ et 2j, carac- térisé en ce que lesdites zones sot obtenues par le procédé selon 4/ de dépôt éoitaxique localisé sur une première couche épitaxique de collecteur, avant dépôt épitaxique d'une secone couche, ces deux couches, constituant le collecteur, étant sensiblement de m8- me résistivité et ladite région de base étant diffusée jusqu'à ladite première couche.