Brevet FR2131930A1 — publié le 19721117

La présente invention est relative.aux dispositifs semiconducteurs et se rapporte plus particulièrement aux tran- -j sistors de puissance conçus pour fonctionner dans les gammes des u fréquences ultra-hautes et des hyperfréquences . 5 " L'apparition du transistor à " recouvrement " a été fci reconnue comme 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 s*étendant 10 dans la région de "base à partir 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 j _L15 grille fortement conductrice diffusée dans la réigion de base d'un ' _ dispositif à " recouvrement " par une grille métallique conduc-trice disposée sur la surface de la région de base . Toutefois, les métaux utilisés jusqu'à maintenant à cet effet , tels que l'aluminium , l'or , l'argent et leurs alliages présentent plu-20 sieurs inconvénients dont le plus sérieux est constitué par leurs propriétés à basse température . 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 , les grilles conductrices fabriquées à partir de-ces 25 aétaux ne peuvent être déposées qu'après diffusion de l'émetteur. II.en résulte que les trous de contact d'émetteur ne peuvent être percés qu'après dépôt de la grille . Comme les transistors à ultra-haute fréquence et hyperfréquence emploient des segments d'émetteur très étroits , de l'ordre de 1 micron de largeur , 30 cette limitation augmente considérablement la probabilité de mise à découvert et de mise en court-circuit de l'une des jonctions émetteur-base , lorsque les trous de contact d'émetteur sont percés ultérieurement . L'invention a pour objet de fournir un dispositif 35 semi-conducteur formé dàns un corps semi-conducteur ayant une surface. Le dispositif comporte une région de collecteur d'un premier type de conductivité dans le corps et une région de base d'un second type de conductivité située dans le corps de façon adjacente à la région de collecteur , une j*onction base-collec- COPY 71 43997 2 2131930 teur étant ainsi définie . Une partie de la région de base s'étend jusqu'à la surface . Le transistor comporte également plusieurs segments d'émetteur discrets du premier type de conduc tivité dont chacun s1 étend dans la région de base à partir de 5 la surface et forme une jonction émetteur-base EN . Une grille conductrice constituée par un composé intermétallique à haute température d'un semiconducteur est en contact avec 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 une région de premier type de conductivité et une région de second type de conductivité adjacente à la premiè-15 re . Ensuite , une grille conductrice capable de supporter les températures du traitement ultérieur est formée sur une première partie de la région de second type de conductivité . Enfin, un segment de premier type de conductivité est diffusé ultérieurement dans une seconde partie de la région de second type de 20 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 titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés , dans lesquels : 25 La Fig.1 est une vue en plan de dessus d'un transistor sui vant l'invention , une partie étant représentée en arraché ; la-Fig.2 est une vue en coupe transversale grossie d'une partie du transistor de la Fig.1 , prise suivant la ligne 2-2' ; les Fig. 3a à 3f sont des vues en perspective des stades du 30 procédé de fabrication du transistor des Fig. 1 et 2 ; la Fig.4 est une vue en plan de dessus d'un autre mode de réalisation du transistor suivant l'invention . Un transistor à haute fréquence suivant l'invention est décrit ci-après en se référant aux Fig. 1 et 2 . 35 . Le transistor 10 est formé sur un corps semicon ducteur 12 comportant des surfaces supérieure et inférieure opposées 14 et 16 respectivement . Les dimensions et la composition du corps 12 ne sont pas critiques « A titre d'exemple , le corps 12 peut être constitué par une tranche de silicium d'envi- 71 43997 3 2131930 ron 1524 microns de long , sur 762 microns de large et d'une épaisseur comprise entre 102 microns et 203 microns . Le transistor 10 peut être un dispositif NPN ou PHP ; toutefois , un dispositif KPN est décrit ci-dessous et est représenté aux Fig, 5 1 et 2 . Le transistor 10 comprend une région de collecteur de premier type de conductivité ( N dans cet exemple ) à l'intérieur du corps semiconducteur 12. La région de collecteur comprend de préférence un substrat 18 fortement conducteur 10 (N+) et une région 20 moins conductrice (N) adjacente au substrat *18 * Le transistor comprend également une région de base 22 de second type de conductivité ( type P) gui s'étend dans la région de collecteur 20 à partir de la surface supérieure 15 14 et en est séparée par une jonction PU base-collecteur 24 ( représentée en pointillé à la Fig.1 ) . Une série de segments d'émetteur 26 , discrets et de premier type de conductivité ( type P) s'étendent dans la région de base 22 à partir de la surface supérieure 14 , une jonction PN émetteur-base séparant cliaque 20 segment d'émetteur 26 de la région de base 22 ( également représentée 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^ÊEas^oxie mesure significative de l'op-25 timisation du 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.1 qui sont relativement longs et minces . A titre d'exemple , chaque segment d'émetteur 26 peut avoir 30 une longueur de 75 microns et une largeur de 1 micron ; des segments d'émetteur plus minces sont intéressants mais ne peuvent être réalisés dans l'état actuel des techniques photolithographiques . Le transistor 10 comprend en outre une pre-35 mière couche d'isolation 30, par exemple en bioxyde de silicium , située sur la surface supérieure 14 . La couche 30 comporte une fente de communication 32 qui entoure chacun des segments d'émetteur 26 et met à découvert line partie de la région de base 22 au niveau de la surface supérieure 14 . Une couche conductrice 71 43997 4 2131930 constituée par ion composé intermétallique du semiconducteur à haute température est disposée uniquement dans la fente 32 pour venir en contact avec la région de base 22 et former une grille conductrice 34- qui entoure chacun des segments d'émetteur 26 . 5 Une partie solidaire 44 de la grille 34- s'étend en dessous de la surface supérieure 14 dans la région de hase 22 . Des doigts de contact de base 37 ( Fig.1) sont disposés par dessus une partie de la grille 34- et sont intercalés entre les doigts de contact d'émetteur 40 , 41 qui sont représentés à la Fig. 1 et 10 sont décrits ci-dessous . Un plot de liaison de base 35 interconnecte tous les doigts de contact de base 37 et est disposé sur la partie de la couche isolante 30 qui est située au-dessus de la région de collecteur 20 . En se référant à la grille 34-, on entend par 15 l'expression " composé intermétallique du semiconducteur à haute température " un composé intermétallique du semiconducteur qui présente une température de fusion supérieure aux températures de traitement utilisées ultérieurement au dépôt de la grille . D'une manière générale , ces températures n'excèdent pas 950°C. 20 De préférence , le corps semiconducteur 12 est en silicium et le composé intermétallique du silicium à haute température est choisi dans le groupe constitué par le siliciure de platine ou le siliciure de rhodium , qui sont des composés ayant des températures de fusion d'environ 980°C et 1400°C respectivement • 25 On préfère une grille 34- en siliciure de platine .Les dimensions de la grille 34- ne sont pas critiques ; par exemple , la grille peut avoir une largeur d'environ 1 à 5 microns, une épaisseur d'environ 0,1 à 1 micron et elle peut être située à une distance uniforme comprise entre 1 et 5 microns environ de chaque segment 30 d'émetteur 26 . Une seconde couche isolante 36 est disposés sur la grille conductrice 34- pour constituer une isolation de croisement destinée aux doigts de contact d'émetteur , décrits ci-dessus . Les première et seconde couches isolantes 30 et 36 35 comportent des trous de contact d'émetteur 38 . Chacun des trous de contact d'émetteur 38 met à découvert une partie de l'un des segments d'émetteur 26 au niveau de la surface supérieure 14 et les doigts de contact d'émetteur sont disposés sur la seconde couche isolante 36 et dans les trous de contact d'émetteur 38. 71 43997 5 2131930 Les doigts de contact d'émetteur comprennent une couche semi-conductrice polycristalline 40, par exemple en silicium , et une couche métallique 41 située sur la couche polycristalline 40 . Le contact d'émetteur comprend en outre un plot de liai-5 son d'émetteur ( non représenté ) qui est disposé sur la partie des couches isolantes 30 et 36 recouvrant la région de collecteur 20 et qui interconnecte tous les doigts de contact d'émetteur 41 . Le transistor est complété par un contact de collecteur 46 disposé sur la surface inférieure 14 . 10 On décrit maintenant la manière dont le transis tor 10 est construit en se référant aux Fig. 3a à Jf . Le matériau de départ est une pastille de silicium relativement grande à partir de laquelle sont fabriqués un grand nombre de dispositifs . Aux fins de la présente description toutefois, on décrit 15 la fabrication d'un seul transistor ; par conséquent , une partie seulement de la pastille est représentée aux Fig. 3a à $f . En se référant à la Fig.3a , la pastille est fortement conductrice (N+) et sert de substrat de collecteur 18 pour le transistor 10. Une couche épitaxiale de silicium est déposée sur le 20 substrat 18 par des techniques connues ; cette couche sert de 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 région de collecteur 20 comme par exemple 25 par oxydation thermique de la couche de silicium épitaxiale . 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 de réserve photographique pour éliminer la couche 30 sur la partie de la surface supérieure 14 qui doit 30 devenir la région de base 22 . La pastille est placée ensuite dans un four à diffusion et est traitée thermiquement avec une source d'impuretés de type P , tel que du nitrure de bore , pour diffuser la région de base 22 dans la région de collecteur 20 ( Fig. 3c) • 35 Après le stade de diffusion de la région de base, on dépose 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 71 43997 6 2131930 d'un traitement ultérieur , cette couche de verre est traitée comme une partie de la couche isolante 30 . En se référant à la Pig. 3d , la couche isolante 30 est traitée ensuite à l'aide d'une technique classique de décapage utilisant un 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- . Ensuite , on dépose une couche intermétallique de silicium , tel que du siliciure de platine , dans la fente de base 32 de la manière suivante 9 On dépose une couche de pla- O tine , ayant une épaisseur comprise entre 1000 et 2000 A par pulvérisation par exemple sur la couche isolante 30 et dans la fente 32 . Cette couche de platine est frittée en chauffant le corps 12 à une température comprise entre 400 et 900°C dans une atmosphère inerte ( par exemple de l'argon) . Pendant le stade de chauffage , il se forme un composé du siliciure de platine uniquement dans la fente 32 qui s'étend de façon peu profonde dans la région de base 22 ( indiquée par la partie 44 de la grille 34- située en dessous de la surface supérieure à la Fig. 3e ). Le platine restant est alors enlevé de la couche 30 par une opération de décapage sélectif , avec une solution d'eau régale par exemple en ne lassant la grille en siliciure de platine 34 que dans la fente"32 ( Fig.3e) •• Comme représenté à la Fig. 3f , une seconde couche isolante 36 en bioxyde de silicium est déposée sur la couche isolante 30 et la grille conductrice 34-, par des techniques connues . La diffusion de tous les segments d'émetteur 26 est ensuite effectuée en appliquant un matériau de réserve photographique sur la seconde couche isolante 36 , en masquant la pastille avec un masque contenant les trous de contact d'émetteur 38, en mettant à découvert le matériau de réserve photographique et en traitant ensuite la pastille par décapage afin d'éliminer la partie des première et seconde couches isolantes 30 et 36 située dans les trous de contact d'émetteur 38 . On place de nouveau la pastille dans un four à diffusion et on la traite thermiquement avec une source d'impuretés de type ÎT r commé par exemple de 1'oxychlorure de phosphore , pour diffuser ion segment d'émetteur 26 à travers chaque trou de contact d'émetteur 38 ainsi que dans la région de base 22 ( Fig.3f) . Après 71 43-997 7 2131930 diffusion des segments d'émetteur 26 , il reste une couche mince de verre au phosphore déposée dans chaque trou de contact d'émetteur 38 et sur les parties non mises à découvert des couches isolantes 36 . Cette couche de verre au phosphore est 5 éliminée en plongeant brièvement la pastille dans une composi tion de décapage d'acide nitrique et d'acide fluorhydrique dilués . Le contact d'émetteur comprend de préférence l'ensemble à couches multiples qui est décrit ci-dessus et est 10 représenté à la Fig.2 . En conséquence , une couche de silicium polycristallin est déposée ensuite sur la deuxième couche isolante 36 et dans les trous de contact d'émetteur 38 . Cette couche de silicium est traitée ensuite par décapage utilisant un matériau de réserve photographique pour définir les doigts 13 d'émetteur 40 en silicium polycristallin . Ensuite, les trous destinés aux doigts de base 37 sont percés dans la seconde couche isolante 36 au moyen d'une autre opération de décapage utilisant un matériau de réserve photographique . Le matériau de réserve photographique non mis à découvert est éliminé et une 20 couche métallique , en aluminium ou en tungstène est déposée à travers les trous de contact de base sur la couche en silicium polycristallin et sur les parties restantes de la seconde couche isolante 36 . Cette couche métallique est traitée ensuite pour définir les doigts de contact d'émetteur et de base 41 et 25 37 ainsi que les plots de contact d'émetteur et de base , ce qui fournit le transistor 10 représenté aux Fig. 1 et 2 . Une autre mode de réalisation du transistor 10 est représenté à la Fig.4 . Ce mode de réalisation est similaire au transistor 10 de la Fig.1 , sauf que tous les segments 30 d'émetteur sont suffisamment longs pour permettre de lier directement le conducteur d'émetteur à la couche de contact d'émetteur . Le transistor de la Fig.10 portant le numéro de référence 50 comprend une région de collecteur 52 et -une région de base 54 s'étendant dans la région de collecteur et une jonction PN 35 base-collecteur 56 . Une série de segments d'émetteur 58 discrets , relativement longs et minces , s'étendent dans la région de base 5^- , une jonction PN émetteur-base 60 étant formée entre chaque segment d'émetteur et la région de base ( la jonction base-collecteur 56 et toutes les jonctions émet 71 43997 8 2131930 teur-base 60 sont représentées à la Fig.4 en pointillé) . Dans ce mode de réalisation , il est essentiel que chaque segment d'émetteur 58 soit au moins aussi long que la largeur d'un fil de liaison , qui est décrit ci-dessous . Une grille en siliciure 5 de platine 62 est disposée sur la région de "base 54- et entoure chaque segment d'émetteur 58 ; cette grille 62 s'étend également sur une courte distance dans la région de base 54-, de la même manière que la grille 34- des Fig. 1 et 2 . Une couche isolante 64- est disposée sur la grille 10 en siliciure de platine 62 et comporte des trous de contact d'émetteur ( non représentés ) qui mettent à découvert chaque segment d'émetteur 58 au niveau de la surface . Une couche de contact d'émetteur 66 est disposée sur la couche isolante 64- et dans les trous et vient en contact avec les segments d'émetteur 15 58 . Un fil 68 relativement grand est lié à la couche de contact d'émetteur 66 directement sur les segments d'émetteur 58 et forme une liaison de largeur ( désignée "w" à la Fig.4) comprise entre 50 et 100 microns . Des couches de contact de base 70 sont disposées de part et d'autres du transistor 50 et viennent en 20 contact avec la grille en siliciure de platine 62 . Le transistor de l'invention offre , entre autre, les avantages suivants par rapport aux dispositifs à haute fréquence de la technique antérieure . En premier lieu , en ce qui concerne les disposi-25 tifs à " recouvrement " décrits ci-dessus , le transistor de l'invention ne nécessite pas l'emploi d'une grille conductrice diffusée profondément dans la région de base . Ceci permet d'utiliser des régions de collecteur relativement minces , ce qui augmente les possibilités en fréquence , tout en conservant par 30 ailleurs la même caractéristique de tension de claquage . En second lieu , la grille du transistor est plus conductrice que la grille diffusée d'un dispositif à " recouvrement ". Il en résulte que l'on peut augmenter la longueur des segments d'émetteur du transistor de par exemple un facteur de 35 deux par rapport à la longueur des segments d'émetteur dans un dispositif à " recouvrement La possibilité d'employer des segments d'émetteur plus longs permet également de lier les conducteurs d'émetteur directement sur les segments d'émetteur ( comme représenté à la Fig.4-) , ce qui réduit la capacité para 71 43997 9 2131930 site émetteur-collecteur par rapport aux dispositifs utilisant des plots de liaison d'émetteur disposés sur la couche d'oxyde de collecteur . Selon une variante , la longueur de l'émetteur peut rester inchangée et il s'ensuit une meilleure uniformité 5 d'injection sur toute la longueur de l'émetteur , par suite de la conductivité supérieure de la grille métallique . En troisième lieu , la grille conductrice d'un dispositif à " recouvrement " diffuse latéralement , ce qui impose une limitation à l'écartement entre les segments d'émetteur adja-10 cents • La grille conductrice du transistor de l'invention évite par ailleurs cette limitation et permet un espacement étroit des segments d'émetteur ce qui fournit un rapport élevé entre la périphérie de l'émetteur et la superficie de la hase ; on peut obtenir par exemple des rapports de 8 . 15 En quatrième lieu , la grille conductrice du transistor 10 est capable de supporter des températures de traitement élevées consécutivement au dépôt de la grille , ce qui permet de former la grille avant de diffuser l'émetteur . En cinquième lieu , la grille intermétallique peut n'être formée 20 que dans les fentes de grille , ce qui réduit le nombre de stades de traitement requis . 71 43997 10 2131930 REVENDICATIONS 1 . Dispositif semiconducteur , caractérisé en ce qu'il comprend un corps semiconducteur ayant une surface , une région de collecteur d'un premier type de conductivité dans le corps , une région de base d'un second type de conductivité , adjacente à la région 5 de collecteur , ces deux régions étant séparées par une jonction base-collecteur PN et line partie de la région de base s'étendant jusqu'à la surface , une série de segments d'émetteur de premier type de conductivité s1étendant dans la région de base à partir de la surface , chaque segment d'émetteur formant "une jonction 10 EN émetteur-base avec la région de base , et une grille conductrice constituée par un composé intermétallique à haute température du semiconducteur venant en contact avec la région de base au niveau de la seconde surface , la grille entourant chaque segment d'émetteur et ayant une température de fusion supérieure à 15 950°C . 2 . Dispositif suivant la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend une couche isolante recouvrant la surface et la grille intermétallique , cette couche comportant une série de trous dont chacun met à découvert l'un des segments d'émetteur au 20 niveau de la surface ; et une couche de contact d'émetteur recouvrant la couche isolante et la grille intermétallique et venant en contact avec au moins deux des segments d'émetteur à travers les trous . 3 . Dispositif suivant la revendication 2 , caractérisé en ce 25 qu'il comprend un fil métallique lié à là couche de contact d'émet' teur directement sur les segments d'émetteur . 4 . Dispositif suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que le corps semiconducteur est constitué essentiellement par du silicium et en ce que la grille intermétallique est constituée 30 essentiellement par un composé intermétallique à haute température du silicium . 5 . Dispositif suivant la revendication 4 , caractérisé en ce que le composé intermétallique à haute température du silicium est choisi dans un groupe constitué par le siliciure de platine et 35 Ie silicium de rhodium . 6 . Dispositif suivant la revendication 5 » caractérisé en ce que la grille intermétallique à haute température est constituée essentiellement par du siliciure de platine o. 71 43997 n 2131930 7 . Procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur , caractérisé en ce qu'il consiste à fournir un corps semiconducteur ayant des régions de premier et de second types de conductivité et une jonction PN entre les régions , à former une grille conduc-5 trice ayant des propriétés à haute température sur une première partie de la région de second type de conductivité , cette grille conductrice étant capable de supporter la température d'un stade ultérieur de diffusion , et à diffuser ultérieurement une région de premier type de conductivité dans une seconde partie 10 de la région de second type de conductivité de façon espacée par rapport à la grille . 8 . Frocédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le corps semiconducteur et les régions se composent essentiellement de silicium et en ce que la couche conductrice est constituée 15 par un composé intermétallique à haute température du silicium . 9 . Procédé suivant la revendication 8 , caractérisé en ce que le composé intermétallique à haute température du silicium est constitué essentiellement par du siliciure de platine •