Brevet FR2131933A1 — publié le 19721117

i 2131933 La présente invention est relative aux dispositifs semiconducteurs et se rapporte en particulier aux transistors de puissance conçus pour fonctionner dans jss gammes des fréquences ultra-hautes et des hyperfréquences. 5 L'apparition du transistor à "recouvrement" a été reconnue com me constituant un progrès important dans le domaine des possibilités de puissance et de fréquence des transistors à haute fréquence. Dans un transistor à "recouvrement", l'émetteur est constitué par plusieurs segments discrets s1 étendant dans la région de base à par-10 tir de la surface supérieure du dispositif. Le courant de base est réparti régulièrement dans les segments d'émetteur par une grille fortement conductrice diffusée dans la région de base qui entoure chacun des segments. Il a été suggéré antérieurement de remplacer la grille forte-15 ment conductrice diffusée dans la région de base d'un dispositif à "recouvrement" par une grille métallique conductrice disposée sur la surface de la région de base. ïoutefois, les métaux utilisés jusqu'à maintenant à cet effet, tels que l'aluminium, l'or, l'argent et leurs alliages, présentent plusieurs inconvénients dont le plus sé-20 rieux est constitué par les propriétés à basse température de ces métaux. En raison du fait que ces métaux fondent à des températures notablement inférieures à celle à laquelle les segments d'émetteur sont diffusés dans la région de base, une telle grille métallique ne peut être déposée qu'après diffusion de l'émetteur. Il en résulte 25 que les trous de contact ne peuvent être percés dans l'émetteur qu' après dépôt de la grille métallique à basse température. Gomme les transistors à ultra-haute fréquence et hyperfréquence emploient des segments d'émetteur très étroits, de l'ordre de 1 micron de largeur, cette limitation augmente considérablement la probabilité de mise 30 à découvert et de mise en court-circuit de l'une des jonctions émetteur-base lorsque les trous de contact sont percés ultérieurement dans l'émetteur. En outre, ces métaux à basse température sont extrêmement mobiles dans les semiconducteurs a.u silicium. L'invention a pour objet de fournir un dispositif semic.onduc-35 teur formé dans un corps semiconducteur ayant une surface. Le dispositif comporte une région de collecteur d'un premier type de con-ductivité dans le corps et une région de base d'un second type de 71 45412 * 2 2131933 conductivité située dans le corps de façon adjacente à la région de collecteur, une jonction 'base-collecteur étant ainsi définie. Une partie de la région de base s'étend jusqu'à la surface, le dispositif comporte également plusieurs segments d'émetteur discrets du 5 premier type de conductivité dont chacun s'étend dans la région de base à partir de la surface et forme une jonction émetteur-base.Une grille métallique conductrice présentant des propriétés à température élevée est disposée sur la région de base au niveau de la surface et entoure chacun des segments d'émetteur. 10 L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de ce dispositif; ce procédé comprend les stades suivants. En premier lieu, il est fourni un corps semiconducteur comportant des régions de premier type et de second type de conductivité, avec une jonction PN entre les régions. La région de second type de conduc-15 tivité s'étend jusqu'à une surface du corps. Une grille métallique conductrice ayant des propriétés à haute température est ensuite formée sur une première partie de la région de second type de conductivité au niveau de la surface. Cette grille métallique est ano-disée pour former un oxyde du métal à sa surface. Une région de pre-20 mier type de conductivité est ensuite diffusée à partir de la surface dans une seconde partie de la région de seconde conductivité de façon espacée par rapport à la grille. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante, donnée uniquement à ti-25 tre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la fig.l est une vue en plan de dessus d'un transistor suivant l'invention, la fig.2 est une vue en coupe transversale grossie d'une par-30 tie du transistor de la fig.l, prise suivant la ligne 2-2', les fig. 3a à 3g sont des vues en perspective des stades du procédé de fabrication du transistor des fig.l et 2. Un transistor à haute fréquence suivant l'invention est décrit ci-après en se référant aux fig.l et 2. 35 Le transistor 10 est formé sur un corps semiconducteur 12 com portant des surfaces supérieure et inférieure opposées 14 et 16 res pectivement. Les dimensions et la composition du corps 12 ne sont 71 45412 2131933 pas critiques. A titre d'exemple, le corps 12 peut être constitué par une pastille de silicium d'environ 1524 microns de long, 762 microns de large et d'une épaisseur comprise entre 101,6 microns et 203 microns. Le transistor 10 peut être un dispositif iŒff ou PJSP; 5 toutefois, un dispositif i«Piî est décrit ci-dessous et est représenté aux fig.l et 2. Le transistor 10 comprend une région de collecteur de premier type de conductivité (K dans cet exemple) à l'intérieur- du corps semiconducteur 12. La région de collecteur comprend de préférence un 10 substrat 18 fortement conducteur (H+) et une région 20 moins conductrice (îl) adjacente au-substrat 18. Le transistor comprend également une région de base 22 de second type de conductivité (type P) qui s'étend dans la région de collecteur 20 à partir de la surface supérieure 14 et en est sépa-15 rée par -une jonction Pitf base-collecteur 24. Une série de segments d'émetteur 26 discrets et de premier type de conductivité (type N) s'étendent dans la région de base 22 à partir de la surface supérieure 14» une jonction PN émetteur-base 28 séparant chaque segment d'émetteur 2b et la région de base 22. (La jonction base-collecteur 20 24 et les jonctions émetteur-base 28 sont représentées à la fig.l en pointillé). La. forme et les dimensions de chaque segment d'émetteur 26 peuvent varier. Toutefois,, comme il est bien connu, les possibilités en fréquence et en puissance des transistors à haute fréquence dépendent dans une mesure significative de l'optimisation du 25 rapport entre la périphérie totale de tous les segments d'émetteur 26 et la superficie de la région de base 22. Il est ainsi préférable d'employer des segments d'émetteur, comme représenté à la fig.l, qui sont relativement longs et minces. A titre d'exemple, chaque segment d'émetteur 26 peut avoir une longueur de 75 microns et une 30 largeur de 1 micron; des segments d'émetteur plus minces sont intéressants mais ne peuvent être réalises dans l'état actuel des techniques photolithographiques. Le transistor 10 comprend en outre une première couche d'isolation 30, par exemple un bioxyde de silicium, située sur la sur-35 face supérieure 14. La couche 30 comporte une fente de communication 32 (fig.2) qui entoure chacun des segments d'émetteur 26 et met à découvert une partie de la région de base 22 au niveau de la 71 45412 4 2131933 surface supérieure 14. Une grille métallique conductrice 34 ayant des propriétés à haute température est disposée dans la fente 22 pour établir le contact avec la région de base 22 au niveau de la surface supérieure 14. Des doigts conducteurs de base 37 (fig.l) 5 sont disposés au-dessus d'une partie de la grille 34 et sont intercalés entre les doigts de contact d'émetteur 40 qui sont représentés en pointillé à la fig.l et sont décrits ci-dessous. Un plot de liaison de base 35 interconnecte tous les doigts conducteurs de base 37 et est disposé sur la partie de couche isolante 30 qui est 10 située au-dessus de la région de collecteur 20. En se référant à la grille 34» on entend par l'expression "propriétés à haute température" que la grille ne fond pas à des températures à peu près égales ou inférieures à celles utilisées dans les stades de traitement suivant le dépôt de la grille conductrice 34, 15 températures qui sont généralement supérieures à 9002C. Des matériaux convenables pour la grille conductrice 34 sont les métaux ré-fractaires, tels que le tantale, le titane, le tungstène et le molybdène; toutefois, on préfère le tungstène. Tous ces métaux fondent à des températures supérieures à 9002C.' Les dimensions de la grille 20 conductrice 34 ne sont pas critiques, par exemple la grille 34 peut avoir une largeur comprise entre 1 et 5 microns, une épaisseur de 0,1 à 1 micron et peut être séparée de chaque segment d'émetteur 26 par une distance comprise entre 1,5 et 2 microns. Une seconde couche isolante 36 est disposée sur la grille mé-25 tallique conductrice 34 pour constituer une isolation de croisement destinée'aux doigts de contact d'émetteur. La seconde couche isolante 36 peut être en bioxyde de silicium ou, selon une variante, peut être constituée par une couche d'oxyde anodisée de la grille métallique sous-jacente 34. Par exemple, si la grille 34 est en titane 30 ou en tantale, la seconde couche isolante 36 peut être constituée par un oxyde de titane ou un oxyde de tantale respectivement. La première et la seconde couches isolantes 30 et 36 comportent des trous 38 de contact d'émetteur. Chacun des trous de contact d'émetteur 38 met à découvert une partie de l'un des segments d'émet-35 teur 26 au niveau de la surface supérieure 14 et les doigts de contact d'émetteur 40 (représentés à la fig.l en pointillé) sont disposés sur la seconde couche isolante 36 et dans les trous de contact 71 45412 5 2131933 d'émetteur 38. le contact d'émetteur comprend en outre un plot d'émetteur (non représenté) qui est disposé dans la partie des couches isolantes 30 et 36 recouvrant la région de collecteur 20 et interconnecte les doigts de contact d'émetteur 40. Le transistor 10 5 est complété par un contact de collecteur 46 disposé sur la surface inférieure 16. On décrit maintenant la manière dont le transistor est construit en se référant aux fig.3a à 3g. Le matériau de départ est une pastille de silicium relativement grande à partir de laquelle sont 10 fabriqués un grand nombre de dispositifs. Aux fins de la présente description, toutefois, on décrit la fabrication d'un, seul transistor, par conséquent une partie seulement de la pastille est représentée aux fig.3a à 3g. En se référant à la fig.3a, la pastille est fortement conductrice (N+) et sert de substrat de collecteur 18 pour 15 le transistor 10. Une couche épitaxiale de silicium est déposée sur le substrat 18 par des techniques connues; cette couche remplit la fonction de la région de collecteur 20. Après le stade de dépôt épitaxial, une couche isolante 30 en bioxyde de silicium est déposée sur la surface supérieure 14 de la 20 région de collecteur 20, comme par exemple par oxydation thermique du silicium ou par décomposition pyrolytique du silane. Comme représenté à la fig.3b, la couche 30 est traitée au moyen d'une technique convenable de masquage et de décapage utilisant une matière d'e réserve photographique pour éliminer la couche 30 sur la partie de la 25 surface supérieure 14 qui doit devenir la région ae base 22. La pastille est placée ensuite dans un four à diffusion et est traitée therir.iquement avec une source d'impuretés de type P, tel que du ni-trure de bore, pour diffuser la région de base 22 dans la région de collecteur 20 (fig.3c). 30 Après le stade de diffusion de la région de base, on dépo.se une couche mince de verre au bore sur les parties restantes de la couche originale 30 en bioxyde de silicium et sur la zone de la surface supérieure 14 dans laquelle la région de base 22 a été diffusée dans la région de collecteur 20. En vue d'un traitement ultérieur, cette 35 couche de verre est traitée comme une partie de la couche isolante 30. En se référant à la fig.3d, la couche isolante 30 est traitée ensuite à l'aide d'une technique classique de décapage utilisant un 71 45412 6 2131933 matériau de réserve photographique pour ouvrir la fente de base 32 et mettre à découvert la région de base 22 au niveau de la surface supérieure 14 où elle doit devenir la zone de contact destinée à la grille conductrice 34. 5 Ensuite, on dépose une couche métallique conductrice présentant des propriétés à haute température sur la couche isolante 30 et dans la fente 32 pour venir en contact avec la région de base 22 (fig.3e). Une couche comprenant du tantale pu du titane, métaux que l'on préfère en raison de leurs possibilités d'anodisation, peut être dépo-10 sée par des techniques d1évaporation classiques. Après dépôt, on traite la couche à l'aide d'une technique de décapage utilisant une matière de réserve photographique pour éliminer les parties non désirées et définir la grille conductrice 34 (fig.3f). Gomme représenté à la fig.3g, on dépose une seconde couche iso-15 lante 36 en bioxyde de silicium sur la couche isolante 30 et la grille métallique conductrice 34 par des techniques connues. Selon une variante, lorsque l'un des métaux à haute température facilement anodisable, tels que le tantale ou le titane, est utilis-é, la seconde couche isolante 36 peut comporter une pellicule anodisée formée 20 par des techniques d'anodisation électrolytique classique. Par exemple on peut anodiser une grille conductrice 34 en titane ou en tantale en plongeant le dispositif dans un électrolyte acide dilué. Par exemple, une solution d'acide tartrique à 3% tamponé à l'hydro-xyde d'ammonium pour atteindre un pH de 5,5. Un potentiel compris 25 entre 120 et 200V est établi entre une cathode et le dispositif qui sertd'anode. On maintient le stade d'anodisation jusqu'à ce que la grille soit oxydée et présente une pellicule isolante d'épaisseur 0 comprise entre 5000 et 1000 A. On effectue ensuite la diffusion de tous les segments d'émetteur 26 en appliquant un matériau de réser-30 ve photographique sur la seconde couche isolante 36, en masquant la pastille au moyen d'un masque comportant les trous de contact d'émetteur 38, en mettant à découvert la matière de réserve photographique et en traitant ensuite la pastille avec un décapant afin d'éliminer' la partie des premières et secondes couches isolantes 30 et 35 36 se trouvant dans les trous de contact d'émetteur 38. On place de nouveau la pastille dans un four à diffusion et on la traite ther-miquement avec une source d'impuretés de type N, tel que de l'oxy- 71 45412 7 2131933 chlorure de phosphore, pour diffuser un segment d'émetteur 26 à travers chaque trou de contact d'émetteur 38 dans la région de hase 22, comme représenté à la fig.3f. Après diffusion des segments d'émetteur 26, on dépose une couche mince de verre au phosphore dans cha-5 que trou de contact d'émetteur 38 et sur les parties non mises à découvert des couches isolantes 36. Gette couche de verre au phosphore s'élimine en plongeant pendant une courte durée la pastille dans un bain d'acide fluorhydrique et d'acide nitrique dilué . Ensuite, on recouvre la couche isolante 36 et les trous de con-10 tact d'émetteur 38 d'un matériau de réserve photographique, et on réalise les trous destinés aux doigts de base 37 dans la seconde couche isolante 36 au moyen d'une autre opération de décapage utilisant une matière de réserve photographique. La matière de réserve photographique non mise à découvert est éliminée et une couche mé-15 tallique, en aluminium ou en tungstène,est déposée à travers les trous de contact de base, les trous de contact d'émetteur 38 et sur les parties restantes de la seconde couche isolante 36. On traite ensuite cette couche métallique pour définir les doigts de contact de base et d'émetteur 40 et 37 et les plots de contact d'émetteur et 20 de base obtenus dans le transistor 10 représenté aux fig.l et 2. Le transistor 10 offre, entre autres, les avantages suivants par rapport aux transistors à haute.-fréquence de la technique antérieure. En premier lieu, en ce qui concerne les transistors à "recouvrement^ décrits ci-dessus, le transistor 10 ne nécessite pas 1' 25 emploi d'une grille conductrice diffusée de façon profonde dans la région de base. Ceci permet d'employer des régions de collecteur relativement minces, ce qui augmente les possibilités en fréquence, tout en conservant par ailleurs la même caractéristique de tension de claquage. En second lieu, la grille métallique du transistor 10 30 est plus ocaaductrice que la grille diffusée d'un dispositif à "recouvrement". Il en résulte que la longueur des segments d'émetteur du transistor 10 peut être augmentée, par txe'nple d'un facteur de deux, par rapport à la longueur des segments d'émetteur d'un dispositif à "recouvrement". L'augmentation de la longueur des segments 35 d'émetteur permet à son tour d'augmenter le rapport entre les superficies de l'émetteur entre la périphérie et la base. En troisième lieu, la grille conductrice diffusée dans un dispositif à "recouvre 71 45412 8 2131933 ment" diffuse latéralement, ce qui impose une limitation à l'écarte-ment entre les segments d'émetteur adjacents, la grille métallique conductrice du transistor 10 évite par ailleurs cette limitation et permet ion écartement moindre entre les segment/ d'émetteur. En quatrième lieu, la grille conductrice 34 à haute température du transistor 10 est capable de supporter des températures de traitement élevées consécutivement à son dépôt, ce qui permet de former la grille avant de diffuser les émetteurs. \ 71 4S412 9 2131933 REVENDICATIONS 1»— Dispositif semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comprend un corps semiconducteur ayant une surface, uiie région de collecteur d'un premier type de conductivité dans le corps; une région de base 5 d'un second type de conductivité dans le corps et adjacente à la région de collecteur, ces deux régions étant séparées par une jonction base-collecteur, une partie de la région de base s'étendant jusqu'à la surface, une série de serments d'émetteur du premier type de conductivité s'étendant dans la région de base à partir de la surface, 10 chaque segment d'émetteur formant une jonction émetteur-base avec la région de base, et une grille métallique conductrice ayant des propriétés à haute température qui est disposée sur la région de- base au niveau de la surface et entoure chaque segment d'émetteur. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce 15 que la température de fusion de la grille conductrice est sensiblement supérieure à 9002C. 3.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une couche isolante recouvrant la surface de la couche conductrice, cette couche comportant une série de trous, chaque 20 trou mettant à découvert l'un des segments émetteur au niveau de la seconde surface, et un contact d'émetteur recouvrant la couche isolante et la grille métallique conductrice et venant en contact avec au moins deux des segments d'émetteur au niveau de la seconde' surface. 25 4.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la grille métallique conductrice comprend un métal réfractaire. §.-Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la grille en métal réfractaire est constituée par du tungstène. 6.- Transistor à haute fréquence, caractérisé en ce qu'il com-30 prend un corps semiconducteur ayant deux surfaces opposées, une région de collecteur d'un premier type de conductivité adjacente à une première des deux surfaces, une région de base d'un second type de conductivité adjacente à la région de collecteur, ces deux régions étant séparées par une jonction base-collecteur et une partie 35 de la région de base s'étendant jusqu'à une seconde des deux surfaces, line série de segments d'émetteur de premier type de conductivité s'étendant dans la région de base, chaque segment d'émetteur 71 45412 10 2131933 formant -une jonction émetteur-base avec la région de base, la première couche isolante recouvrant la seconde surface et comprenant une fente qui entoure chacun des segments émetteur et met à découvert une partie de la région de base au niveau de la seconde surfa-5 ce, une grille métallique conductrice ayant des propriétés à haute température disposées sur la seconde surface et dans la fente, une seconde couche isolante recouvrant la grille métallique conductrice et la première couche isolante, les première et seconde couches isolantes comportant une série de trous dont chacun met à découvert 1' 10 un des segments d'émetteur au niveau de la seconde surface, et un contact d'émetteur recouvrant la seconde couche isolante et venant en contact avec les segments d'émetteur à travers les trous. 1.- Transistor suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la grille métallique conductrice est constituée essentiellement 15 par du titane et en ce que la seconde couche isolante est constituée essentiellement par de l'oxyde de titane recouvrant la grille de titane. 8.- Transistor suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la grille métallique conductrice est constituée essentiellement 20 par du tantale et en ce que la seconde couche isolante est constituée essentiellement par de l'oxyde de tantale située sur la grille en tantale. 9.- Procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur, caractérisé en ce qu'il consiste à munir un corps semiconducteur ay- 25 ant des régions de première et seconde conductivités d'une jonction PN entre-les régions, là région de second type de conductivité s'é-tendant jusqu'à une surface du corps, à former ;une grille métallique conductrice ayant des propriétés à haute température sur une première partie de la région de second type de conductivité au ni-30 veau de la surface, à anodiser la grille métallique conductrice pour former une couche isolante, et à diffuser une région de premier type de conductivité à partir de la surface dans une seconde partie de la région de second type de conductivité de façon espacée par rapport à la grille métallique. 35 10.- Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la grille métallique conductrice est constituée par du titane et en ce que la couche isolante est en un oxyde de titane. 71 45412 11 2131933 11.- Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la grille métallique conductrice est en tantale et en ce que la couche isolante est en un oxyde de tantale. v 12.- Procédé de fabrication d'un transistor à haute fréquence, 5 caractérisé en ce qu'il consiste à fournir un corps collecteur d'un premier type de conductivité et ayant une surface, à diffuser une région de base d'un second type de conductivité dans le corps collecteur à partir de la surface, à déposer une couche isolante, à traiter la couche isolante de manière à former une fente de communi-10 cation qui met à découvert une partie de la région de base au niveau . de la surface, à déposer une couche de métal facilement anodisable à haute température sur la couche et dans la fente, à traiter la couche métallique de manière à ne laisser une grille métallique que dans la fente, à anodiser la grille métallique pouf former une cou-15 che d'oxyde sur le métal, à former des trous dans la couche isolante mettant à découvert des parties de la région de base entre les éléments de la grille, et à diffuser une région d'émetteur d'un premier type de conductivité dans la région de base à travers chaque ' trou.