Brevet FR2205749A1 — publié le 19740531

On connait des dispositifs semiconducteurs à effet de champ dits gridistors, comportant une grille plane enterrée et traversée par de multiples canaux verticaux, décrits notamment dans le brevet français n0 1 317 256 du 16 décembre 1961 et ses certificats d'addition n0 93 111 du 13 juin 1967, n0 93 763 du 17 octobre 1967, n0 93 857 du 30 novembre 1967 et n0 94 388 du 21 mars 1968 et, plus récemment, dans la demande de brevet français n0 PV 72 08446 du 10 mars 1972, tous au nom de l'actuel demandeur. La structure d'un tel gridistor est formée à l'intérieur d'un substrat semiconducteur d'une seule pièce ou constitué de plusieurs couches superposées, muni sur ses deux grandes faces de couches chargées ou surdopées du méme type de conductibilité servant de contact de source et de drain. Elle comporte essentiellement une grille en semiconducteur du type opposé à celui du substrat et enterrée dans celui-ci. Cette grille est généralement entourée d'un cadre avec ou sans barreaux transversaux destiné à rendre celle-ci pratiquement équipotentielle à la fréquence de fonctionnement. Ce cadre, avec ses barreaux, est rehaussé nécessairement jusqu'au niveau de l'une des grandes faces du substrat, d'une part pour permettre une prise de contact sur toute sa surface, d'autre part pour supprimer tout chemin conducteur entre la source et le drain en dehors des mailles de la grille. Or, lorsque le substrat comporte une couche épitaxiée déposée à la fin, corme décrit dans les brevets précités, ce rehaussement du cadre, avec ses barreaux, est obtenu, dans l'état actuel de la technologie, par diffusion en phase gazeuse d'une impureté à haute concentration du même type que celui du corps de la grille. Cependant, durant cette diffusion, une distribution d'impuretés formant le corps de grille se produit simultanément en étendant son volume et, par suite, en-envahissant la couche épitaxiée. Pour en teniroempte, ondoie augmenter l'épaisseur de cette couche, ce qui, par contrecoup, accroît la durée de l'opération de diffusion, donc accentue l'extension du corps de grille. Ce processus cumulatif empeche la réduction à un minimum souhaitable de l'épaisseur de ladite couche épitaxiée et, en définitive, dégrade notablement la définition de la géométrie de la structure et, de ce fait, les conditions de fonctionnement du dispositif dans le domaine des hyperfréquences. La caractéristique essentielle de l'invention consiste à éliminer cet inconvénient par la suppression ou du moins l'amenuisement de ladite opération de diffusion. L'objet de l'invention consiste à remplacer cette opération de diffusion, en tout ou en partie, essentiellement par une disposition nouvelle de la structure du gridistor, au moyen d'un creusage ou forage dûment localisé de la couche épitaxiée. L'invention concerne également les opérations qui suivent celle du creusage. L'invention sera mieux comprise et ses avantages seront mis en évidence par la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels - les Figs. 1 et 2 représentent des vues coupées respectivement en plan et en élévation d'une structure de gridistor de l'art antérieur - la Fig. 3 représente, à une échelle agrandie, une partie de la vue coupée de la Fig. 2 - la Fig. 4 représente une vue coupée en élévation d'une partie de ladite structure modifiée suivant l'invention - la Fig. 5 représente une variante selon l'invention de la struc ture de la Fig. 4 - la Fig. 6 représente une vue coupée en élévation d'une partie de la structure de l'art antérieur réalisée à l'aide de la technique d'implantation d'ions - les Figs. 7 et 8 représentent des vues coupées en élévation de variantes de réalisation de la structure de la fig. 6, modifiée suivant l'invention. Les Figs. 1 et 2 représentent deux vues coupées d'une structure connue de gridistor, respectivement suivant les plans A-A et B-B. Cette structure comporte plusieurs compartiments ; la Fig. 1 montre un de ces compartiments ainsi que l'amorce d'un deuxième à la partie supérieure de la figure ; chacun d'eux comporte dix canaux 1 (en silicium du type N, par exemple), traversant la grille 2 (en silicium du type opposé, donc ici du type P, fortement surdopé), entourée d'un cadre 3 (en silicium P également surdopé), faisant corps avec la grille et muni de barreaux transversaux 4 délimitant les compartiments de la structure et assurant une alimentation mieux distribuée de la grille. Cette structure (Fig. 2) comporte une couche 5 (en silicium du type N surdopé), une couche 6 (en silicium du type N - cette couche pouvant etre remplacée par deux couches superposées suivant la demande de brevet n0 PV 72 08446 précitée), déposée générale- ment par épitaxie et dans laquelle sont prédiffuses, à travers un masque d'oxyde, en même temps, la grille 2, le cadre 3 et les barreaux 4. Le masque d'oxyde étant alors éliminé du plan #A-A, une deuxième couche épitaxiée 8 est déposée (ou deux ou trois couches suivant la demande de brevet précitée).Ce dépit étant fait à une température relativement basse (épitaxie au silane ou au di- ou au trichlorosilane, la température opérationnelle étant de l'ordre de 1000 à 10500C) et l'opération étant de très courte durée en raison de la faible épaisseur de dépôt requise, la structure de la grille diffusée en est peu affectée. Par contre, il en est tout autrement pendant l'opération suivante qui consiste en la diffusion du mur de jonction 7 devant avoir un intime contact avec le cadre 3, ainsi que des murs correspondant aux barreaux 4, à travers un masque d'oxyde 9 réalisé dans ce but. Cette diffusion est effectuée généralement à la plus haute concentration possible (par exemple, de l'ordre de i020 atomes de bore par cm3) à la fois pour réduire la résistance de cette jonction et la durée de diffusion nécessaire. Toutefois, cette durée demeure appréciable d'autant plus que, pour obtenir un contact intime, il faut assurer une interpénétration des profils horizontaux diffusés du mur 7 et du cadre 3, comme représenté par les traits pointillés 7 n et 3" sur la Fig. 3 agrandie.Cette figure, qui montre à l'échelle 3:1 la partie gauche de la Fig. 2, permet de se rendre compte de l'effet de cette diffusion sur le volume du corps de grille qui se répercute sur la structure, à la fois par la dégradation de la finesse de la géométrie et par l'augmentation de l'épaisseur de la couche épitaxiée finale 8 qu'il convient de déposer. Pour #apprécier l'extension du volume du corps de grille en résultant, on a représenté sur la Fig. 3 en traits pointillés 2' et 3' les contours des volumes prédiffusés que l'on peut comparer aux contours 2 et 3 correspondant aux volumes finaux. Pour appré- cier l'accroissement de l'épaisseur de la couche épitaxiée, on comparera sur la même Fig. 3 l'épaisseur e2 qui est en définitive nécessaire, à l'épaisseur el qui aurait été pratiquement suffisante en l'absence de ladite diffusion. En effet, les opérations finales consistant en une diffusion d'un matériau du type N (du phosphore par exemple) à haute dose qui constitue la zone de contact 9 de l'électrode terminale (ici, électrode de source) avec la face supérieure, ainsi qu'en un dépôt des couches de contact métalliques 10 et 11 (cette dernière étant effectuée sur une zone 11D du type N diffusée au préalable), respectivement de grille et de source (le contact de drain réalisé sur la semelle surdopée 5 n'est pas représente), n'exigeant que des températures relativement modérées (ne dépassant pas 9000C), apportent peu de modifications aux volumes et épaisseurs consi dérés. En définitive donc, pour éviter la dégradation de la structure définie ci-dessus, il importe essentiellement de supprimer, autant que faire se peut, l'opération de diffusion du mur 7. Une première solution selon l'invention est représentée sur la Fig. 4. Elle consiste à creuser une cuvette 12 au-dessus du cadre 13 et de même au-dessus des barreaux 4 non représentés sur cette figure, jusqu'à sa pénétration dans le corps du cadre 13 et des barreaux 4. Le fond de cette cuvette est garni d'une couche de contact 15, en même temps que sont formées les couches de contact de source 11 (sur une zone 11D du type N diffusée au préalable), et de drain (non représente). Le creusage ou forage de la cuvette 12 est effectué de préférence par une attaque chimique à travers les ouvertures d'un masque de vernis photosensible ou encore par un usinage ionique à travers un masque métallique. Le masque qui a servi au creusage est ensuite remplacé par un masque de contact 14, de silice pyrolitique ou encore d'alumine pyrhydrolitique (masque produit à une température inférieure à 9000C, donc sans effet extensif sur le corps de grille), servant à la localisation des couches de contact de grille et de source. La comparaison des Figs. 4 et 3 permet de mesurer l'amEliora- tion de la qualité de finesse de la structure. Le cadre 3 et le corps de grille 2 sont considérablement réduits, devenant respectivement 13 et 16. D'une part, le facteur de#qualité n défini par le rapport de la section des canaux à la section totale de la grille est porté de 0,2 à 0,3. D'autre part, l'épaisseur de la grille est réduite de plus de 50%, par suppression des couches extérieures à canaux fortement divergents. Or, ces couches ont un effet nuisible que l'on essaie de combattre comme indiqué dans la demande de brevet français n0 Pv 72 08446 précitée. La couche épitaxiée est, par voie de conséquence, également réduite, devenant ici 8'. Suivant une variante selon l'invention, on se limite à un creusage d'une profondeur réduite en le faisant suivre d'une diffusion de faible profondeur. Une telle combinaison de ces deux procédés est représentée sur la Fig. 5, où l'on voit en 17 la cuvette de profondeur réduite et en 18 la couche diffusée de faible épaisseur, en 19 le corps de grille, en 20 le cadre qui l'entoure, enfin les couches de contact, de source en 11 et de grille en 21, délimitées par le masque d'oxyde 14'. On remarque que le taux de finesse de la structure défini par le facteur n est légèrement inférieur (de l'ordre de 10%) à celui de la structure représentée sur la Fig. 4, tout en demeurant nettement supérieur à celui de la Fig. 3. Le choix entre ces deux variantes dépend de considérations technologiques. Toutefois, des valeurs de n encore notablement plus élevées peuvent être obtenues par des structures suivant l'invention, utilisant une technologie connue d'implantation d'ions, combinée essentiellement avec une technologie épitaxique. Les Figs. 6, 7 et 8 représentent des vues coupées en élévation, correspondant aux Figs. 3, 4 et 5, d'une partie de la structure d'un gridistor réalisée en utilisant ces techniques. Dans le cas de la Fig. 6, il est prévu en outre une importante opération de diffusion en phase gazeuse. Le processus se présente donc comme suit : Le substrat étant constitué, comme pré- cédemment, par une semelle surdopée en silicium (non représentée sur la figure),# surmontée d'une couche 6 épitaxiée du type N (ou de deux couches, suivant la demande de brevet précitée), on forme dans cette dernière par implantation d'ions (de bore), à travers les ouvertures d'un masque métallique constitué à cet effet, le corps de grille du type N représenté en pointillé par les petits rectangles 22' et le cadre représenté par un long rectangle 23', ainsi que les barreaux (non représentés).Après enlèvement du masque et le traitement thermique subséquent, on complète le substrat par un dépôt épitaxique d'une couche 24 du type N sur le plan C-C (ou éventuellement de deux couches superposées suivant la demande de brevet précitée), effectué comme spécifié précédemment, à la température la plus basse possible. Après cette opération, on crée par diffusion le mur 25 de jonction avec le cadre 23' ; durant cette opération, il se produit, comme dans la technique usuelle précédemment décrite (Fig. 3), une redistribution des ions de bore composant le corps de grille 22' et le cadre 23', se traduisant par une diffusion à partir de toute leur surface. Cette diffusion est ici encore plus rapide sur les faces verticales que dans le cas de la Fig. 3, en raison de la plus haute concentration d'ions de bore. Il en résulte ainsi la structure représentée en traits pleins sur la Fig. 6, avec le mur 25, le cadre 23 et le corps de grille 22. Ensuite, on forme à travers le masque d'oxyde 26, les contacts de grille 27 et de source 28 (déposé sur la couche diffusée 29 du type N), ainsi que de drain (non représenté). En comparant alors la structure de la Fig. 6 avec celle de la Fig. 3, on ne constate qu'une faible amélioration de la finesse, malgré l'introduction de la technique d'implantation d'ions. En fait, les phénomènes intervenant pendant la diffusion des murs de jonction annulent pratiquement les avantages qu'apporte cette technique et qui seraient notamment dans le cas présent, du fait de l'implantation pratiquement unidirectionnelle (perpendiculaire à la surface), l'extension latérale minimale du corps de grille et du cadre, d'où facteur de qualité n maximal, d'où également jonction PN grille-canal très abrupte et, par suite, tension de striction du canal minimale et transconductance maximale, pour une géométrie de structure et résistivité du canal données. Une modification de cette structure suivant l'invention permet d'éviter cet inconvénient et de tirer profit des avantages précités. Les Figs. 7 et 8 en fournissent deux exemples de réali- sation. La Fig. 7 représente une modification de la-structure de la Fig. 6 suivant le principe expliqué sur la fig. 4. La diffusion du mur de jonction 25 avec le cadre 23', effectuée dans la structure de la Fig. 6, est ici remplacée par le creusage d'une cuvette 30 au-dessus du cadre 38 et aussi au-dessus des barreaux non représentés de délimitation des compartiments, revêtue ensuite d'une couche métallique de contact de grille 31 déposée à travers l'ouverture du masque d'oxyde 32, en même temps que la couche de contact de source 33 (sur une couche 34 du type N+ diffusée à relativement basse température) et celle de drain (non représen tee). Préalablement à cette opération finale, il est procédé, comme dans le processus précédemment décrit, à l'implantation dans la couche 35 d'ions de bore formant le corps de grille 22', le cadre 23', ainsi que les barreaux (non représentés) et au dépôt de la couche épitaxiée finale 36 (ou encore de deux couches superposées). Durant cette dernière opération, il se produit une légère extension du corps de grille ainsi que du cadre dont les coupes deviennent respectivement 37 et 38 représentées en traits pleins. Ici, cependant, s'arrête l'analogie avec le processus correspondant à la Fig. 6, car le corps de grille et le cadre n'évoluent pratiquement plus pendant les opérations de formation de contact successives. On obtient de la sorte une structure caractérisée par un facteur de qualité n approchant 0,5 et ce, d'une part en raison de la géométrie très affinée, d'autre part en raison du caractère très abrupt de la jonction PN grille-canal, ce qui permet, pour la même tension de striction, d'avoir un canal plus large. De plus l'épaisseur de la grille, donc la longueur des canaux, est grandement réduite (de l'ordre de 70%) et le profil des canaux nettement amélioré. Enfin, l'épaisseur de la couche épitaxiée finale 36 est sensiblement plus faible que celle de la couche correspondante 24 de la Fig. 6. La Fig. 8 présente une variante de réalisation de la structure de la Fig. 7, conduisant pratiquement au même résultat. Le processus opératoire est inchangé jusqu'au dépôt de la couche épitaxiée 36. Ensuite, on réalise par implantation d'ions (de bore) à travers les ouvertures d'un masque métallique établi à cet effet, le mur de jonction 39 avec le cadre 40 et les murs correspondant aux barreaux du cadre (non représentés). Le problème qui reste alors à résoudre est celui de la prise de contact sur ce mur : pour que le contact soit ohmique, il est pratiquement indispensable que la couche P en surface soit fortement dopée. On peut certes y parvenir en procédant successivement à plusieurs implantations de profondeurs décroissantes.Toutefois, il parait encore ici préférable d'aménager la structure par creusage (cependant sensiblement moins prononcé que sur la Fig. 7) des cuvettes comme indiqué en 40, venant chercher ainsi en profondeur la zone surdopée. Ceci étant fait, on procède à la formation à travers les ouvertures du masque d'oxyde 41, des couches de contact, de grille 42, de source 43 (sur la couche N+ diffusée au préalable) ainsi que de drain. La qualité de la structure ainsi obtenue est pratiquement équivalente à celle représentée sur la Fig. 7, les parties coupées du corps de grille et du cadre étant respectivement 45 et 50. Enfin, il est bien entendu que les formes et les matériaux utilisés pour la mise en oeuvre de l'invention peuvent varier sans pour cela sortir du cadre de celle-ci pour autant que les principes indiqués ci-dessus soient appliqués. C'est ainsi que le contact de grille peut être pris, non pas exclusivement sur le cadre périphérique, mais aussi sur une zone centrale pleine, aménagée à cet effet dans la grille ; dès lors, la cuvette est creusée audessus de cette zone centrale. D'autre part, au lieu de silicium, d'autres matériaux semiconducteurs peuvent être utilisés, tels le germanium ou des composés des groupes III-V, notamment l'arséniure de gallium. REVENDICATIONS 1.- Structure de transistor à effet de champ du type gridistor comprenant un substrat semiconducteur d'un premier type de conductibilité, deux couches extrêmes surdopées sur les faces dudit substrat constituant des contacts de source et de drain, une grille enterrée dans ledit substrat d'un deuxième type ou type opposé de conductibilité, ladite grille étant traversée par une pluralité de canaux conducteurs du premier type de conductibilité, caractérisée en ce que le contact de grille est localisé dans une cuvette creusée à cet effet dans ledit substrat. 2.- Structure conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que ladite cuvette est creusée au-dessus d'un cadre périphé- rique semiconducteur jointif à la grille et du même type de con ductibilité que celle-ci. 3.- Structure conforme aux revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ladite cuvette est creusée également au-dessus des barreaux transversaux à ce cadre, du même type de conductibilité que celui-ci. 4.- Structure conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que ladite cuvette est creusée au-dessus d'une zone centrale , pleine aménagée dans la grille. 5.- Structure conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la grille enterrée est obtenue par diffusion en phase gazeuse suivie de dépôt épitaxique. 6.- Structure conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la grille enterrée est obtenue par implantation d'ions suivie de dépôt épitaxique. 7.- Structure conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite cuvette est revêtue d'une mince couche diffusée du même type de conductibilité que la grille. 8.- Structure conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le contact de grille est assuré par l'intermédiaire d'une couche d'ions implantée dans laquelle est creusée la cuvette contenant le contact.