Brevet FR2239768A1 — publié le 19750228

La présente invention concerne une structure perfectionnée de transistor planaire bipolaire et plus particulièrement une structure de transistor présentant une région de collecteur bien dinie. Il est bien connu que les propriétés électriques des transistors sont étroitement liées au profil de concentration en porteur des différentes couches qui lesconstituentO Lors de la conception du transistor, ce profil peut outre défiii avec précision à partir de modèles mathématiques, Toutefois les impératifs technologiques en traient souvent une altération du profil de concentration théorique, très difficilement mattrisablee La structure selon l'invention peut entre utilisée dans des transistors discrets ou dans des circuits intégrés. La présente invention a essentiellement pour objet une structure planaire présentant une définition précise de la position du plan de la jonction base-collecteur à une profondeur fixée à l'avan- ce et du gradient de concentration existant à la jonction base-collecteur. Elle a également pour objet une structure permettant une précision accrue du nombre total de porteurs contenus dans la base. Elle permet également une plus grande liberté de chois~dans la concentration en impureté du collecteur. la structure planaire de transistor bipolaire selon la présente invention est essentiellement caractérisée en ce que la région constituast le collecteur présente une brusque augmentation de con centration en porteur libre sur une épaisseur faible devant sa pro pre épaisseur, à la profondeur choisie pour la jonction base-collec -teure Selon une caractéristique importante de la présente invention, ce surdopage localisé de la région du collecteur est obtenu par implantation profonde d'ions. On sait que ce procédé permet en effet de définir avec - précision la profondeur de la zone surdopée ainsi que l'apport en porteur.Selon une autre caractéristique de ltinvention, le nombre total de porteurs implantés ne dépasse pas 2 à 8 1012 cm-2 suivant la concentration max e dans la zone implantée, de façon à conservoe à la tension de claquage basecoLlecteur la valeur obtenue en l'absence de surdopage ; une dose plus importante peut gtre utilisée si on admet une diminution de la tension de claquage, On a déjà proposé des structures de transistors incorporant une zone profonde dont la concentration est modifiée par implantation0 On citera entré autres le brevet français 2.070.213 déposé le 1er décembre 1970 pour "Procédé permettant la fabrication d'un dispositif semiconducteur, et dispositif semiconducteur obtenu par la mise en oeuvre de ce procédée Ce brevet décrit une structure de transistor planaire bipolaire dont les deux plans de jonction respectivement collecteur-base et base-émetteur sont définis par des zones implantées à surdopage localisé dans 1' émetteur et dan la base; les régions des électrodes étant dopées par diffusion. Le brevet français 2.090.238 déposé le 24 mai 1971 pour "Perfectionnements aux procédés de fabrication de dispositifs semiconducteurs" décrit une structure de transistor planaire bipolaire dans laquelle une implantation profonde à la limite du substrat favorise la diffusion - dans la couche épitaxiée servant b former les zones actives du transistor. Un avantage des structures selon la présente invention réside en une augmentation du gain statique des transistors présentant un surdopage localisé du collecteur par rapport au gain dune structu- re identique ne comportant pas la caractéristique de l'invention. Un autre avantage des structures selon l'invention est une diminution de 1' effet connu sous le nom "dEffet Kir1, qui est en partieculier une limitation du courant maximum pouvant traverser le tran sister. En conséquence, la caractéristique de gain des transistors selon l'invention en fonction de la fréquence se trouve linéarisée ce qui peut titre favorable à certaine utilisations particuLières et le courant maximum de fonctionnement se trouve augment6. La présente invention sera bien comprise en se reportant à la description suivante et aux figures qui l'accompagnent données b titre d'illustration non limitative et dans lesquelles - la figure i représente un profil de dopage d'un transistor selon linvention ç - la figure 2 représente une vue en coupe d'un transistor selon invention. Dans ce qui suit on décrit une structure de transistor n-p-n en silicium étant entendu que ce choix est fait à titre d'exemple, la structure de l'invention étant applicable quel que soit le type du transistor bipolaire considéré et le semiconducteur qzi le constitue. Ainsi qu'il est dusage, la courbe-de la figure 1 représente la valeur absolue de la densité de porteurs libres en fonction de l'épaisseur mesurée à partir de la surface du transistor portant loe contacts de base et d'émetteur, On a représenté par la courbe en pointillé le profil de concentration d'un transistor de l'art antérieur,et par la courbe en trait fort celui d'un transistor selon l'invention. On remarque sur les deux courbes une courbe Â correspondant à la concentration en impureté de type N (par exemple arse- nie) de l'émetteur, suivie de la courbe B de concentration en impureté de type P (par exemple bore) de la base, suivie de la courbe C de concentration en impureté de type N (par exemple phosphore) du collecteur.Dans la structure de la présente invention la courbe a de concentration en phosphore du collecteur se compose de deux parties : la courbe C, plate, correspondant au profil habituel de dopage du collecteur et la courbe C1, approximativement gaussienne, étroite (largeur L.) et à maximum (N@) relativement élevé.La dose totale (aire définie par 1) de la partie surdopée du collecteur, dont une valeur approximative correspond au produit N0L ,doit entre inférieure ou égale à 2 à 18.1012 cm-2, pour N0 compris entre 1015 et 501016 cm-3, afin que la tension de claquage de la jonction cQl-- lecteur-base ne soit pas diminuée par la présence du surdopage Cts La figure 2 représente une coupe d'un transistor selon l'invention.Pour rendre la figure plus claire, on nota pas respecté l'échelle des épaisseurs. (1) Sur un substrat de silicium N+/ on dépose, par tout procédé connu, une couche épitaxiée (2) de silicium de type N et d'une épaisseur de l'ordre de quelques m dont la concentration en porteurs correspond à la valeur désirée pour la zone du collecteur. Ensuite, on soumet l'ébauche à un bombbrdement ionique à énergie élevée de façon que les ions pénètrent dans la couche jusqu'au plan de la jonction collecteur-base (24) (par exemple 0o5/um en dessous de la surface). La dose injectée est calculée pour que le maxinruin de concentration des ions implantés corresponde à une densité environ 10 fois plus élevée que celle du reste (21) du collecteur et que l'épaisseur de la zone intéressée par l'implantation soit d'environ 5000 Ao La suite des étapes de fabrication fait appel à des opérations bien connues de l'homme de de~l'artO Par exemple, on peut créer la couche P de base (22), par implantation (ou diffusion) à travers une couche d'oxyde (3). la couche d'oxyde est ensuite gravée par des moyens photolithographiques et la couche N+ (23) d'émet teur est implantée (ou diffusée) de manière que la jonction émet- teur-base soit située à une profondeur inférieure à celle de la jonction base-couche surdopée du collecteur (par exemple 0,25 m en dessous de la surface). Ensuite la couche d'oxyde 3 est gravée à nouveau pour assurer le contact électrique sur la base (22), un métal est déposé et gravé de manière à délimiter les contacts émet- teur (4) et base (5).On peut remarquer que le surdopage (24) du colleur peut être implanté après que les couches 22 de base et 23 d'émetteur aient été réalisées. L'implantation profonde de type N (24) se fait alors à travers l'ouverture aménagée dans l'oxyde (3) pour la réalisation de l'émetteur (23) et la zone surdopée (24) est localisée exclusivement sous l'émetteur (23). Dans cette variante la structure du transistor est entièrement réalisée avant l'iiplan- tation ce qui évite que la couche implantée ait à supporter les traitemenos thermiques utilisés en coure de fabrication, Dans le cas de transistors correspondant au profil de la figure 1, on a obtenu les caractéristiques résumées dans le tableau la La colonne de gauche du tableau porte les résultats obtenus sur des trarsistors standards réalisés à l'aide des m@mes opérations que les transistors de l'invention dont les caractéristiques Eeyennes figurent à la colonne de droite, exception faite pour le surdopage par l'implantation profonde du collecteur0 TABLEAU 1 Art antérieur Invention ------------------------------------------------------ Gain 40 65 Niveau harmonique 2 - 52 dB - 55,5 dB sous un courant IC 21 mA 26,5 Ik Niveau harmonique 3 - 64 dB - 70 dB sous un courant IG 20 mA 24 mA BV@@ 47,5 Volt 41,5 Volt o il est bien entendu que l'exemple ci-dessus est donné à ti- tre d'illustration, l'invention étant utilisable quel que soit le type du transistor bipolaire et la nature du matériau qui le ions titue. RVENICÂTIONS 1. Structure planaire de transistor bipolaire comportant un substrat semiconducteur recouvert d'une couche épitaxiée de matériau semiconducteur comportant trois régions différentiées par la nature et la concentration des porteurs libres, soient, à partir dudit substrat, un collecteur contenant des porteurs d'un premier type, une base comportant des porteurs d'un deuxième type, un émetteur comportant des porteurs du premier type, caractérisée en ce que la concentration en porteur du collecteur est augmentée d'un facteur supérieur ou égal à dix tu voisinage de la jonction avec la base. 2. Structure planaire de transistor bipolaire selon la revendication 1 dans laquelle ltaugnentation de la concentration en por teurs est obtenue par implantation profonde d'ions conférant ledit premier type de conductibilité. 3. Structure planaire de transistor bipolaire selon la revendication 1 dans laquelle la concentration en porteur de la partie surdopée du collecteur est inférieure d'une puissance de 10 à la concentration en porteur de la base. 40 Structure planaire de transistor bipolaire selon la revendication 1 dans laquelle les différents porteurs sont successivement introduits dans la couche épitaxiée par implantation ionique0 5. Structure planaire de transistor bipolaire selon la revendication 1 dans laquelle les porteurs sont introduits successivement dans la couche épitaxiée par diffusion. 6o Structure planaire dSî transistor bipolaire- selon la revendication 2 dans laquelle : l'implsntation profonde d'ions à la jonction collecteur-base est effectuée sur le transistor comportant déjà les trois régions de collecteur, base et émetteur, après les traitements thermiques nécessaires à la fabrication0