Brevet FR2123119A1 — publié le 19720908

La présente invention concelne un transistor de type plan épitaxial multi-émetteur comprenant : une région de collecteur d'un premier type de conductivité, formé par dépit épitaxique sur un substrat, une région de base d'wr 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 comportant une plage plane parallèle à ladite surface, contiguë à une partie annulaire affleurant ladite surface, et une région d'émetteur du premier type de conductivité formée d'une pluralité dalots diffusés dans la dite région de base à partir de cette marne surface, la jonction émetteur-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 région de base. Les transistors de type plan destinés à fonctionner à forte puissance, en particulier des transistors à haute fréquence,voient leur pouvoir de traitement de puissance diminuer fortement,surtout lors outils sont utilisés sur une charge non résistive, par le phénomène dit de second claquage (ou claquage secondaire),le fonctionnement du transistor à 11 état de claquage secondaire risquant d'entrainer sa destruction,le second claquage peut apparaître lorsqu'un transistor fonctionne à forte puissance, avec une commande en direct ou en inverse de la jonction émetteur-base. Divers procédés ont été proposés dans le but a'améliorer le comportement d'un transistor à l'apparition du phénomène de second claquage en direct. Dans le cas d'un multi-émetteur, des résistances d'équilibrage sont mises en série avec les divers émetteurs de fa çon à améliorer la répartition des courants entre les émetteurs lorsque la jonction émetteur-base étant commandée dans le sens direct, la tension inverse augmente sur la jonction collecteur-base jusqu'à provoquer un claquage du type thermique en des points préférentiels où des phénomènes de pincement dans la région de base en trarnent de plus fortes densités de courant.Mais cette amélioration ne concerne pas le second claquage en inverse apparaissant lorsque, la jonction émetteur-base étant commandée dans le sens inverse, la tension inverse augmente sur la jonction collecteur-base jusqu'à provoquer un premier claquage de cette dernière jonction. Ce claquage se produit aux points de plus forte concentration de porteurs de la région de base, points qui, dans la généralité des cas,sont situés près de l'affleurement de la jonction à la surface du transistor. le courant passe alors par les contacts de base les plus pro ches de cette jonction. Il se crée dans la base une hétérogénéité 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 collecteur-base est branchée en parallèle avec cette derniere. Une telle diode est décrite dans le brevet fr#çais 1 592 199 t dans différentes formes de réalisation selon l'une db- quelle s des points de tension de claquage diminuée sont établis grâce à des différences d'épaisseur de base amenant certains points de cette dernière à proximité d'un substrat à plus forte concentration que le collecteur proprement dit. Ces drfférerces d'épaisseur ne peuvent être obtenues qu'en réalisant au moins deux opérations de diffusion de la région de base et l'amélioration obtenue est limitée par les possibilités de diffusion dans le matériau semiconducteur. les profondeurs de diffusion ne peuvent présenter de grands écarts et les différences de gradient sont peu marquées. La présente invention tend entre autres à améliorer le comportement d'un transistor pouvant entre amené à l'état d'avalanche pendant certains instants comme par exemple en fonctionnement en haute fréquence sur une charge quelconque. L'invention tient dompte des régimes transitoires apparaissant au cours de la commutation de la jonction émetteur-base du transistor, du sens direct au sens inverse et du sens inverse au sens direct, en particulier lorsque la charge est non résistive. lorsque la jonction émetteur-base est polarisée en #ièct,le courant de base circule des divers contacts de base aux différentes portions de jonction émetteur-base, à l'intérieur de zones préférentielles de la base. Le claquage de la jonction collecteur-base se produit dans ces zone 50 Mais lorsque le transistor est commuté en sens inverse, le premier claquage de la jonction collecteurbase 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 transistor. le courant de base circule vers le ou les contacts de base les plus proches, certains contacts de base ne recevant que peu ou pas de courant. Dans le cas d'un transistor multi-émetteur à géométrie du type dit interdigité, les seuls contacts extrêmes du peigne d'interconnexion 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, préjudiciable à la transition de direct en inverse, de façon que les courants de base passent, en inverse, par les mêmes contacts de base qu'en 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 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 comportant une plage plane parallèle à la dite surface, contiguë à une partie annulaire affleurant ladite surface, et une région d'émetteurdu premier type de conductivité, formée d'une pluralité d'plots diffusés dans ladite région de base à partir de cette même surface, la jonction émetteur-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 région de base, est remarquable en ce que la région de collecteur est constituée de deux couches superposées, une couche profonde déposée sur ledit substrat et une couche superficielle déposée sur la précédente et de résistivité plus élevée que cette dernière,la région de base ayant une profondeur telle que, pour une tension de polarisation inverse de la jonction collecteur-base inférieure à la tension de claquage de ladite partie annulaire de cette jonction- collecteur- base, l'interface entre lesdites deux couches épitaxiques soit si- tué dans la région de charge d'espace de cette jonction. Aux instants de polarisation inverse de la jonction collecteurbase, la région de charge d'espace de cette jonction atteint la couche profonde de collecteur, de résistivité plus faible que la couche superficielle.Les claquages se produisent dans la partie plane de la jonction, avant de pouvoir se produire dans ladite partie annulaire, à 11 affleurement de la jonction, et les courants de base peuvent se répartir entre les mimes contacts de base qu'en tension directe. Une répartition équilibrée des courants entre les divers contacts de base, lorsque le transistor fonctionne au delà du régime de premier claquage diminue les risques d'apparition du second claquage et améliore les possibilités de traitement de puissance du transistor. Dans une première forme de réalisation du transistor selon 1 lin- vention, la région de base est diffusée à une profondeur au moins égale à l'épaisseur de la couche superficielle de la région de collecteur, la partie plane de la jonction émetteur-base s'établissant ainsi entre la zone diffusée et la couche profonde de collecteur présentant une résistivité plus faible que la couche superficielle. lorsque la tension inverse sur cette jonction augmente,les claquages en avalanche se produisent le long de cette partie plane. A partir de ces claquages, les courants de base peuvent se répartir entre les divers contacts de base, aussi bien en commande inverse qu'en commande directe de la jonction émetteur-base. Dans une seconde forme de réalisation du transistor selon l'invention, la diffusion de la région de base n'atteint pas la couche profonde de collecteur, la partie plane de la jonction collecteurbase se situe cependant à faible distance de l'interface des deux couches de collecteur; cette distance est assez faible pour que, lorsque la tension inverse sur cette jonction augmente, la région de charge d'espace de la jonction atteigne la couche profonde présentant une résistivité plus faible que la couche superficielle,et que les claquages en avalanche se produisent le long de la partie plane. À partir de ces claquages les courants de base peuvent se répartir entre les divers contacts de base, aussi bien en commande inverse quten commande directe de la jonction émetteur-base, Ladite tension de claquage de partie annulaire de jonction base collecteur peut entre au besoin déterminée par des mesures préalables sur des jonctions identiques, et la profondeur de la région de charge d'espace peut entre évaluée en fonction de la tension inverse appliquée et des concentrations d'impuretés de dopage de part et d'autre de la jonction, une jonction diffusée du type basecollecteur pouvant entre éventuellement assimilée à une jonction abrupte lorsque la tension inverse appliquée est élevée. La tension de claquage de la tension collecteur-base du transistor n'est pas sensiblement diminuée du fait de la résistivité plus faible de la couche profonde de collecteur,la différence de résis tivité entre les deux couches devant titre elle-même très faible. De préférence le rapport entre la résistivité de la couche profonde et celle de la couche superficielle est compris entre 2/10 et 9/10. les deux couches sont de mhme nature, la concentration en impuretés de dopage y étant différente, par exemple le collecteur est réalisé par dépit épitaxique de silicium et la concentration en impureté de dopage, par exemple le phosphore, est de 6.1015 atomes/ cm3 dans la couche profonde et de a5 atomes/cm3 dans la couche superficielle, les épaisseurs de ces couches étant respectivement de 4 à 6 microns et de 1 à 3 microns par exemple0 Si la profondeur à laquelle se situe la jonction collecteur-base doit entre très faible, par exemple inférieure à 1 micron, la courbure de cette jonction dans sa partie voisine de son affleurement à la surface devient alors très forte.On sait que la tension de claquage d'une telle jonction diminue avec son rayon de courbure et que peuvent apparaître des risques de claquage prématuré si ce rayon est très faible, Dans le cas d'une diffusion de base de très faible profondeur, un transistor selon l'invention présente une jonction collecteur-base comportant une partie plane parallèle à la surface épitaxique et située à très faible profondeur, contiguë à une zone annulaire située à une profondeur plus grande;;la partie annulaire diffusée plus profondément présente de ce fait une courbure moins forte qu'une jonction uniquement diffusée jusqu'à la profondeur de ladite partie plane. les risques d'apparition de claquages au voisinage de l'affleurement- de cette jonction, risques que la très faible courbure de la jonction entrainerait malgré la présence de la couche profonde de collecteur à plus faible résistivité, sont ainsi éliminés; il est avantageux de donner à la jonction entre le collecteur et cette zone annulaire un rayon de courbure tel que la tension de claquage y soit très légèrement supérieure à la tension de claquage de la partie plane de la jonction base-collecteur. le procédé de réalisation d'un transistor selon l'invention comporte une succession d'opérations ressortant des techniques de fabrication de dispositifs seyni-conducbeursO Ce procédé est remarquable en ce que deux couches épitaxiques superposées d'un premier type de conductivité sont déposées successivement sur un substrat,la seconde couche ayant une concentration d'impuretés plus faible que la première, et en ce que la région de base de type de conductivité opposé est ensuite diffusée à une profondeur uniforme telle que l'interface entre lesdites deux couches soit situé dans la région de charge d'espace de la jonction entre ladite base et lesdites couches pour une tension de polarisation de cette jonction inférieure à la tension de claquage de la partie annulaire de cette jonction voisine de son affleurement à la surface, des flots d'émetteurs étant ensuite diffusés dans ladite région de base. Dans le cas d'un transistor présentant une jonction collecteurbase à très faible profondeur, par exemple de l'ordre d'un micron, le procédé de réalisation selon l'inventioncomporte deux opéra Ions de diffusion d'impuretés donnant le mtme type de conductivité, en sa1e de la réalisation de la région de base : une diffusion de grande surface et de très faible profondeur et une diffusion, selon une plage homéomorphe à une couronne recouvrant la totalité de la périphérie de la surface d'affleurement de ladite diffusion de grande surface, mais de plus grande profondeur que cette der nièce. l'invention est applicable plus particulièrement aux transistors utilisés en très haute fréquence, notamment aux fréquences di tes USE et ; elle est particulièrement destinée aux transistors de fortes puissances, comportant une multiplicité d'émetteurs,de contacts d'émetteur et de contacts de base. la description qui va suivre en regard des dessins annexés,donnés à titre exemple non limitatif, fera bien comprendre comment ltinventìon peut entre réalisée0 La figure 1 est une coupe schématique d'un transistor selon l'invention dans une première forme de réalisation. La figure 2 est une coupe schématique d'un transistor selon l'invention dans une seconde forme de réalisation. La figure 3 est une coupe schématique d'un transistor selon 11 invention dans une troisième forme de réalisation. Il est à noter que les dimensions, sur les dessins, sont considérablement 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 représentées, le transistor épitaxial multi-émetteur représenté sur la figure 1 comporte un substrat 1 par exemple en silicium de type de con ductivité N+ . Sur le substrat 1 s'étend une région de collecteur de type de conductivité N, formé de deux couches épitaxiques superposées 2 et 3, la couche superficielle 3 présentant une résistivité plus élevée que la couche profonde 2.Une région de base 4, de type de conductivité P, est diffusée à partir de la surface épitaxiale opposée au substrat, jusqu'à une profondeur telle que la partie plane 5 de la jonction collecteur-base s'établit entre la base et la couche 2. le niveau de cette partie plane de jonction est très légèrement inférieur au niveau de la limite entre les deux couches 2 et 3 et les deux niveaux peuvent éventuellement entre confondus. Des émetteurs 7 de type de conductivité N+ sont diffusés dans la région 4 et des prises de contact 8 sont prévues sur la base, et en 9, sur les émetteurs. La tension de claquage de la jonction collecteur-base le long de la surface 5 est légèrement plus faible que la tension de claquage de la partie 6 avoisinant la surface à partir de laquelle la diffusion a été effectuée0 En régime d'avalanche collecteurbase les courants injectés par les émetteurs 7 suivent les mêmes trajets vers les différents contacts de base 8, lorsque la jonction émetteur-base est en inverse que lorsqu'elle est en direct. En 11 absence de la partie de jonction à plus faible tension de claquage, les contacts de base les plus proches de la jonction tels que 8a et 8b seraient au contraire seuls intéressés par le claquage en avalanche de la jonction émetteur-base lorsque la jonction émetteur-base serait en inverse. le transistor épitaxial multi-émetteur représenté sur la figure 2 comporte un substrat 11. Sur ce substrat est déposée une première couche épitaxique 12 et sur cette dernière une seconde couche épitaxique 13. Ces deux couches ruperwnsées 12 et 13 forment le collecteur proprement dit du transistor, la couche superficielle 13 présentant une résistivité plus élevée que la couche profonde 12.Une région de base 14, de type de conductivité opposé à celui des couches 12 et 13, est diffusée à partir de la surface extérieure de la couche 13, jusqu'à une profondeur telle que la partie plane 15 de la jonction collecteur-base se situe à une distance de la limite 20 entre les deux couches épitaxiques assez faible pour que, lorsque la tension inverse sur la jonction collecteur-base augmente, la région de charge d'espace de la jonction, dont la limite côté collecteur est représentée sur la figure par un trait interrompu 21, atteigne la couche 12 et que le claquage en avalanche se produise le long de cette partie plane de jonc avant de se produire tion p ans la partiel. le niveau de la partie plane de jonction 15 est proche du niveau de la limite 20 entre les deux couches et ces deux niveaux peuvent éventuellement titre confondus. Des émetteurs 17, de type de conductivité opposé à celui de la base 14 sont diffusés dans cette région 14. Des prises de contact 18 sont prévues sur la base 14 et des prises de contact 19 sont prévues sur chaque émetteur 17. En régime d'avalanche de la jonction collecteur-base les courants injectés par les émetteurs 17 suivent les mimes trajets vers les différents contacts de base 18, lorsque la jonction émetteurbase est en inverse, que lorsqu'elle est en direct0 le transistor épitaxial multi-émetteur représenté sur la figure 3 comporte un substrat 31, sur lequel est déposée une première couche épitaxique 22, puis une seconde couche épitaxique 23,ces deux couches formant le collecteur du transistor et la couche superficielle 23 ayant une résistivité plus élevée que la couche profonde 22. Une région annulaire 26, de type de conductivité op- posé à celui des couches 22 et 23, est diffusée à partir de la surface extérieure de la couche 23, de meme qu'une région de base 24, mais cette dernière a une profondeur plus faible que la région 26.La courbure de la jonction entre la région 26 et le collecteur 23 est ainsi plus faible que ne le serait la jonction entre base et collecteur si cette région 26 n'était prévue. La profondeur de la base, par rapport à l'épaisseur de la couche 23 est telle que, lorsque la tension inverse sur la jonction base-collecteur augmente, la région de charge d'espace de cette jonction, dont la limite cgté collecteur est représentée par le trait interrompu 30,atteint la couche 12 pour une tension inférieure à la tension de claquage de la jonction entre la région 26 et le collecteur au voisinage de l'affleurement de cette jonction. Des émetteurs 27 sont diffusés dans la région de base 24 et des prises de contact sont prévues en 28 sur la base 24 et en 19 sur les émetteurs 27. Pour un transistor réalisé en silicium, l'impureté de dopage du substrat est par exemple# l1arsenic, celle du collecteur épitaxique le phosphore, celle choisie pour la diffusion de la région de base est le bore et pour la diffusion des émetteurs,le phosphore, Dans un exemple de réalisation d'un tel transistor selon l'invention, le substrat est en silicium de type N+ .La première couche de collecteur déposée sur le substrat a une épaisseur de 5 à 6 microns et une résistivité de 0,811cmO La seconde couche de col lecteur déposée a une épaisseur de 1 à 2 microns et une résistivité de 1,6 1t cm, La base est dopée au bore à une concentration en surface de l'ordre de 1019 atomes/cm3 et sa profondeur de diffusion est de 1 à 2 microns, les émetteurs sont dopés au phosphore à une concentration en surface de l'ordre de 50102 5@l020 atomes/cm3. La tension de claquage dans la zone superficielle d'affleurement de la jonction collecteur-base serait de 40 volts; la tension de claquage dans la partie plane de cette meme jonction est comprise entre 30 et 40 volts, la zone de charge d'espace de cette jonction atteignant la limite entre les deux couches de collecteur sous une tension inférieure à 40 volts, REVENDI CÂTI ONS 10/ - Transistor multi-émetteur de type plan épitaxial comprenant : une région de collecteur d'un premier type de conductivité, formé par dép8t 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 plage plane parallèle à ladite surface, contiguë à une partie annulaire affleurant ladite surface, et une région d'émetteur du premier type de conductivité formée d'une pluralité dalots diffusés dans ladite région de base à partir de cette même surface, la jonction émetteur-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 région de base, caractérisé en ce que la région de collecteur est constituée de deux couches épita xiques superposées dont une couche profonde déposée sur ledit substrat et une couche superficielle déposée sur la précédente et de résistivité plus élevée que cette dernière, la région de base ayant au moins une profondeur telle que, pour une tension de polarisation inverse de la jonction collecteur-base inférieure à la tension de claquage dans ladite partie annulaire de cette jonction, l'interface entre lesdites deux couches épitaxiques est situé dans la région de charge d'espace de cette jonction collecteur-base. 2Q/ - Transistor selon la revendication 1/, caractérisé en ce que ladite région de base a une profondeur au moins égale à l'épaisseur de ladite couche superficielle de collecteur. 3Q/ - Transistor selon la revendication 1/, caractérisé en ce que la profondeur de diffusion de ladite région de base est inférieure à l'épaisseur de ladite couche superficielle de collecteur. 4Q/ - Transistor selon l'une des revendications 1/ à 3/, caractérisé en ce que le rapport entre Aa résistivité de ladite couche profonde et la résistivité de ladite couche superficielle est comprise entre 2/10 et 9/10. 5 / - Transistor selon l'une des revendications 1/ à 4/, caractérisé en ce que les deux couches de collecteur sont réalisées en silicium dopé au phosphore. 6Q/ - Transistor selon l'une des revendications 1/ à 5/, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche profonde est de 4 à 6 microns et l'épaisseur de ladite couche superficielle de 1 à 3 microns. 7Q/ - Procédé de réalisation d'un transistor selon l'une des revendications 1/ à 6/, caractérisé en ce que les deux couches épitaxiques superposées d'un premier type de conductivité sont déposées successivement sur un substrat, la seconde couche ayant une concentration d'impuretés plus faible que la première, et en ce que la région de base, de type de conductivité opposé est ensuite diffusée à une profondeur uniforme telle que l'interface entre lesdites deux couches est situé dans la région de charge d'espace de la jonction entre ladite base et lesdites couches pour une tension de polarisation de cette jonction inférieure à la tension de claquage de la partie annulaire de cette jonction voisine de son affleurement à la surface. 8Q/ - Transistor selon l'une des revendications 1/ à 5/, caractérisé en ce que la jonction collecteur-base comporte une partie plane parallele à la surface épitaxique et située à très faible profondeur et une zone annulaire contiguë atteignant une profondeur plus grande. 9 / - Procédé de réalisation d'un transistor selon la revendication 8/, caractérisé en ce quefa région de base est réalisée par deux opérations de diffusion d'impuretés donnant le même type de conductivité une diffusion de grande surface et de très faible profondeur et une diffusion selon une plage homéomorphe à une couronne recouvrant la totalité de la périphérie de la surface d'affleurement de ladite diffusion de grande surface, et de plus grande profondeur que cette dernière.