Brevet FR2460543A1 — publié le 19810123

La présente invention concerne un transistor à effet de champ du type à jonction comportant essentiellement, élaborées au voisinage de la surface d'une couche semiconductrice du pre- mier type de conductivité, -une première région, dite région de source, du deuxième type de conductivité, fortement dopée, -une deuxième région, dite région d'évacuation, distincte de la précédente, mais également du deuxième type de conductivité et fortement dopée,. -une troisième région, superficielle, dite région de porte, du premier type de conductivité, située entre les première et deuxième régions précitées, s'étendant jusqu'à celles-ci et, par ailleurs, en contact ohmique avec ladite couche, -une quatrième région, dite région de canal, du deuxième type de conductivité, faiblement dopée, disposée sous la troi- sième région et s'étendant aussi jusqu'aux première et deuxième régions. Il y a lieu de préciser que le qualificatif "fortement dopé" s'applique à des parties du transistor présentant une concentra- 17 3 tion d'impuretés de dopage supérieure à 5.10 atomes/cm. Le qualificatif "faiblement dopé" s'applique dans le cas d'une con- 17 3 centration inférieure à 5.10î7 atomes/cm3. L'invention se rapporte plus particulièrement, mais non exclusivement cependant, aux transistors à effet de champ très sensibles, fonctionnant donc sous des tensions d'alimentation faibles avec. de faibles tensions de seuil, utilisés en parti- culier comme éléments d'entrée d'amplificateurs opérationnels à niveau de bruit peu élevé, par exemple les amplificateurs équi- pant les capteurs à usage médical. L'expérience montre que de tels transistors très sensibles ne peuvent être réalisés, au moins en partie c'est-à-dire en ce qui concerne les régions de canal et de porte, que par la tech- niaue d'implantation d'ions. Pour obtenir une excellente sensi- bilité il faut, en effet, que lesdites régions de canal et de porte -surtout la région de canal- aient une très petite épais- seur et soient peu dopées; c'est.chose pratiquement impossible à faire, de façon reproductible, autrement que par implantation. La structure habituelle d'un transistor à effet de champ réalisé par implantation, incorporable dans un circuit intégré -2- 2460543 comportant par ailleurs d'autres transistors similaires et d'au- tres de type bipolaire, répond à celle décrite au premier para- graphe du présent mémoire. La troisième région, ou région de porte, est selon les modèles, soit reliée soit non reliée à la couche semiconductrice aui, par sa partie profonde située sous la région de canal, participe à la région de porte. Souvent, lorsqu'il s'agit notamment d'améliorer la sensibilité du transistor, on réalise cette liaison; la couche semiconductrice et la troisième région sont alors en per- manence équipotentielles. Pour réaliser ladite liaison, la troisième région doit être créée débordante par rapport à la région sous-jacente de canal, de manière à ce qu'elle prenne contact latéralement avec la couche semiconductrice. C'est ce qui est montré par exemple dans le brevet français n0 1 431 642: il s'agit, dans ce brevet, d'un "limiteur de courant à effet de champ' dans lequel 'la région de commande supérieure" ou porte, de type de conductivité N, est diffusée dans une région plus vaste, de type de conductivité P, également diffusée, englobant la source, 'la plaque", et "le chenal". La région de porte, de surface rectangulaire, s'étend, en longueur de part et d'autre de la région P et entre ainsi en contact avec le matériau de type de conductivité N dans lequel a été créé le dispositif et dont une partie profonde constitue la région inférieure" de commande. Pour obtenir la liaison recherchée entre la région de porte et la couche semiconductrice de même type de conductivité dans un transistor à effet de champ réalisé par-implantation, il faut, au cours d'une première opération d'implantation et à.travers un premier masque, créer la région de canal, puis, au cours d'une seconde opération d'implantation et à- travers un deuxième masque de dimensions supérieures à celles du précédent, créer la partie superficielle de la région de porte. Ces opérations de masquage s'inscrivent en plus de celles nécessitées pour l'élaboration des transistors bipolaires équi- pant un circuit intégré comportant les deux types de transistors. Elles alourdissent inévitablement la fabrication d'un tel cir- cuit intégré. Dans le souci de simDlifier cette fabrication, la Demande- resse a conçu une structure de transistor à effet de champ à canal et porte créés en particulier par implantation d'ions, plus aisément intégrable sur le plan du nombre d'opérations né- cessaires pour sa réalisation. C'est là le but de la présente invention. L'invention met à profit et combine les avantages respec- tifs des techniques d'implantation et de diffusion. Selon l'invention, un transistor à effet de champ du type à jonction comportant essentiellement, élaborées au voisinage de la surface d'une couche semiconductrice du premier type de con- ductivité, -une première région, dite région de source, du deuxième type de conductivité, fortement dopée, -une deuxième région, dite région d'évacuation, distincte de la précédente, mais également du deuxième type de conducti- vité et fortement dopée, -une troisième région, superficielle, dite région de porte, du premier type de conductivité, située entre les première et deuxième régions précitées, s'étendant jusqu'à celles-ci et, par ailleurs, en contact ohmique avec ladite couche, -une quatrième région, dite région de canal, du deuxième type de conductivité, faiblement dopée, disposée sous la troi- sième région et s'étendant aussi jusqu'aux première et deu- xième réqions, est notamment remarquable en ce que lesdites troisième et quatrième régions font partie, respectivement, d'un domaine du premier type de conductivité et d'un domaine du deu- xième type de conductivité qui ont sensiblement le même contour, et en ce que le contact ohmique entre la troisième région et ladite couche est obtenu par l'intermédiaire d'au moins une zone semiconductrice du premier type de conductivité, fortement dopée, créée dans ladite couche et qui touche audit domaine du premier type de conductivité. Les deux domaines du premier et du deuxième types de conduc- tivité ayant le même contour sont créés à travers un même masque ce qui signifie une seule opération de photogravure et une seule opération de délaquage pour former les deux réqions de porte et de canal, donc une économie de moyens, de temps passé, et une diminution des risques encourus liés aux manipulations des pla- quettes.substrats. -4- D'autre part, il est important de noter que la formation de ladite zone semiconductrice de contact n'oblige pas.à la réalisa- tion d'un masque spécial. Cetté zone, que l'on ohtient-avantageu- sement par diffusion, est en effet créée en même temps et à tra- vers le même masque que d'autres volumes semiconducteurs du même type de conductivité-appartenant à des composants voisins du tran- sistor selon l'invention et élaborés sur la même plaquette-substrat; ladite zone peut être formée, par exemple, simultanément avec les régions d'émetteurs de transistors bipolaires. Avantageuse sur le plan de la facilité de fabrication, la nou- velle structure de transistor selon l'invention n'entraine cepen- dant pas d'inconvénient de fonctionnement ni de baisse significa- tive de performances par rapport aux transistors similaires selon l'art antérieur. L'expérience a montré, notamment, que la pré- sence d'une zone de contact intermédiaire fortement dopée entre la troisième région et la couche semiconductrice ne provoque pas de baisse sensible de la tension de claquage porte/canal, D'ail- leurs, cette tension de claquage est essentiellement dépendante du taux de dopage de la région de canal, taux de dopage que l'on sait faire faible par mise en oeuvre de la technique d'implanta- tion. De préférence, les première et deuxième rtqicns, respective- ment de source et d'évacuation, sont créées par diffusion. Ce sont des régions sur lesquelles il faut prendre un contact et il est indispensable que leurs lits superficiels soient très dopés, ce qui ne présente aucun inconvénient de fonctionnement pour le tran- sistor. Par contre, il est essentiel que la quatrième réginf ou région de canal, et avantageusement la troisième région, ou région de porte, soient créées par implantation ionique, cecidans le but d'obtenir des taux de dopage faibles, permettant- que la tension de seuil du transistor soit petite. L'épaisseur de la zone semiconductrice fortement dopée qui établit un contact ohmique entre la troisième région et la couche semiconductrice peut être, en principe, limitée à celle de ladite troisième région. Pratiquement, cette zone s'étend en profondeur jusqu'au-delà de la quatrième région, ceci sans inconvénient et en raison de ce qu'elle est créée en même temps que les émetteurs de transistors bipolaires voisins, émetteurs dont l'épaisseur est souvent plus importante que celle des troisième et quatrième régions réunies. La structure d'un transistor selon l'invention, ainsi que le procédé de réalisation d'un tel transistor, procédé qui fait expressément partie de ladite invention, vont être précisés dans le texte descriptif qui suit en regard des figures illustrant deux formes de réalisation possibles dudit transistor. Les figures 1, 2 et 3 représentent, de façon schématique, un transistor selon l'invention selon une première forme de réa- lisation; ce transistor est vu en plan sur la figure 1, les figures 2 et 3 étant des -vues en coupe, respectivement selon les lignes Il-Il et TII-III de la figure 1. Les figures 4 et 5 correspondent également à un transistor selon l'invention dans une forme de réalisation un peu différente de la précédente; la figure 4 est une vue en plan de ce transis- tor, tandis que la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 4. Il est à noter que, sur les figures, les rapports dimension- nels entre éléments et dans ces éléments mêmes ne sont pas res- pectés, ceci dans le seul but que ces figures soient claires. L'épaisseur des couches par rapport à leur aire a été notamment considérablement augmentée eu égard à la réalité. Par ailleurs, et toujours dans un souci de clarté,les parties semiconductrices ayant le même type de conductivité ont été hachurées dans le même sens. Le transistor à effet de champ à jonction qu'illustrent les figures 1, 2, 3, est formé dans une couche semiconductrice 10, du premier type de conductivité, reposant sur un substrat 11 du deuxième type de conductivité. Le substrat 11 et la couche 10 représentent une petite fraction de plaquette semiconductrice sur laauelle ont été créés par ailleurs d'autres composants -entre autres, par exemple, d'autres transistors tels que celui selon l'invention et aussi des transistors bipolaires- l'ensemblei de ces composants formant un circuit intégré. Dans le transistor illustré, on distingue -une première région 12, dite région de source, du deuxième type de conductivité, fortement dopée, -une deuxième région 13, dite région d'évacuation, distincte de la précédente, mais également du deuxième type de conductivité et fortement dopée, -6Les régions 12 et 13 ont, par exemple, une surface de forme rectangulaire et sont disposées parallèlement suivant leur lon- gueur comme il apparaît sur la figure 1. -une troisième région 14, superficielle, dite région de porte, du premier type de conductivité, située entre les première et deuxième régions 12 et 13 précitées, s'étendant jusqu'à celles- ci et, par ailleurs, en contact ohmique avec ladite couche 10, -une quatrième région 15, dite région de canal, du deuxième type de conductivité, faiblement dopée, disposée sous la troi- sième région-14 et s'étendant aussi jusqu'aux première et deu- xième régions 12 et i3. Selon l'invention, le transistor précédemment décrit "est notamment remarquable en ce que lesdites troisième et quatrième régions 14 et 15 font partie, respectivement, d'un domaine 114 du premier type de conductivité et d'un domaine 115 du deuxième type de conductivité qui ont sensiblement le même contour et en ce que le contact ohmique entre la troisième région 14 et ladite couche 10 est obtenu par l'intermédiaire d'au moins une zone semi- conductrice 16 du premier type de conductivité, fortement dopée, créée dans ladite couche 10 et qui touche audit domaine 114 du premier type de conductivité". Les domaines 114 et 115 débordent latéralement de la limite de longueur définie par les grands côtés des régions 12 et 13 et ils s'étendent dans la couche 10 atteignant la zone semiconduc- trice 16 (dans le cas présent, il a été prévu deux zones semi- conductrices 16A et 16B, créées symétriquement par rapport aux régions de source et d'évacuation 12 et 13, ceci dans le souci d'une parfaite répartition des tensions de porte le long de la région 15 du canal). La troisième région 14 et la quatrième région 15.correspon- dent aux parties médianes des domaines 114 et 115 situées entre les régions de source 12 et d'évacuation 13, la longueur desdites régions 12 et 13 fixant sensiblement (aux effets de bords près) la largeur du canal du transistor. Le trait en partie continu, en partie tireté, 17, indique la projection des limites de la fenêtre rectangulaire du masque au travers duquel ont été créés les domaines 114 et 115. Ces limites mordent(partiesen ligne tiretée du trait 17) sur les régions 12 et 13 et sur les zones 16A et 16B. Mais, en fait, le contour des domaines 114 et 115 est défini par les bords en regard, d'une part des régions 12 et 13, d'autre part des zones 16A et 16B, ainsi que par la partie en ligne continue du trait 17; ceci, en raison de ce que les conditions de dopage dans lesdits domaines, o la concentration en impuretés est choisie faible, ne peuvent modifier les conditions de dopage dans les- dites régions et zones o la concentration est, au contraire, élevée. La face active 1OA de la couche 10 est revêtue d'une pelli- cule isolante et passivante 18, faite, par exemple, d'oxyde de silicium, dans laquelle ont été prévues des fenêtres permettant l'établissement de contactsmétalliques 19, 20, 21A et 21B, res- pectivement avec les régions de source 12, d'évacuation 13 et de porte 14. Les contacts 21A et 21B sont reliés entre eux, par exemple, par la connexion 22 qui chemine sur la pellicule 18. La réalisation d'un transistor selon l'invention est avan- tageusement-conduite selon le processus suivant: -Dans un premier temps, on constitue simultanément les ré- gions de source 12 et d'évacuation 13, par diffusion, soit au cours d'une séquence opératoire spéciale, soit à la faveur de la constitution d'une région semiconductrice appartenant à un autre composant du circuit intégré. Ensuite, on forme les zones semiconductrices 16A et 16B, par diffusion également, ceci en même temps que, par exemple, les régions d'émetteurs de tran- sistors bipolaires dudit circuit intégré. C'est alors seulement que l'on crée consécutivement, à travers un même masque, les domaines 115 et 114 (on sait que dans l'élaboration d'un circuit intégré, les opérations d'implantation se situent généralement après celles de diffusion): une première implantation permet d'obtenir l'insertion au niveau de la région 15, d'impuretés du deuxième type de conductivité; une deuxième implantation permet l'insertion, à un niveau moins profond que le précédent et correspondant à la région 14, d'impuretés du premier type de conductivité. On opère préférentiellement dans cet ordre, mais ceci n'a pas un caractère impératif. Les atomes implantés, en position interstitielle par rapport aux atomes du réseau cristallin après l'implantation, passent en position substitutionnelle et deviennent de ce fait actifs, après un recuit final de distribution. Les conditions de recuit sont -8- 246054J fixées suivant les cas; elles sont étroitement dépendantes des conditions d'implantation. Souvent, ce recuit a lieu sous- atmos- phère d'azote et/ou d'oxygène à une température se situant à en- viron 850-900 C. En ce qui concerne la nature du masque employé lors des opé- rations d'implantation, on utilise, de façon connue et par ex- emple, une laque photopolymérisable déposée sous une épaisseur convenable déterminée en fonction des énergies d'implantation mises en jeu. Après le recuit final de distribution, la réalisation du transistor, ainsi que celle du circuit integré, se termine par le dépôt des plages métalliques de contact et des lamelles des interconnexions. A titre d'exemple pratique, il est donné ci-après quelques caractéristiques physiques et dimensionnelles concernant un tran- sistor pour circuit intégré selon l'invention, ainsi que les conditions des principales opérations conduisant à sa réalisation. Bien entendu les chiffres donnés n'ont pas un caractère limitatif. Le substrat 11 est de type P, peu dopé; sa résistance est de l'ordre de 10 Q.cm. La couche 10, de type N, est obtenue par épitaxie; son taux de dopage est de l'ordre de 1015 at/cm3; son épaisseur est de 15 à 20 pm. Les régions 12 et 13, de source et d'évacuation, de type P, obtenues par diffusion de bore, présentent un taux de dopage élevé, voisin de 10 8 at/cm3 près de la surface 1QA; leur épais- seur est de 2 à 3 jm. Les régions 16A et 16B, de type N, obtenues par diffusion de phosphore, ont un taux de dopage de l'ordre de 1019 at/cm3 en surface. Leur épaisseur se situe entre 1,5 et 2,5 pm. Le domaine 114 incluant la région de porte 14, de type N, est engendré par l'implantation d'ions phosphore sous une éner- gie voisine de 150 keV et à une dose se situant, en moyenne, à 12 2 1,6.10 at/cm. La concentration maximum, après implantation, y 17 3. est de 4.1017 at/cm3 à une profondeur très proche de 0,2 -pm. Après un recuit final de distribution, la concentration moyenne 16 17 3 dans ce domaine est comprise entre 5.1016 et 1017 at/cm3. Le domaine 115 incluant la région de canal 15, de type P, est engendré par l'implantation d'ions bore sous une énergie avoisinant 150 keV et à une dose se situant, en moyenne, à f 1,6.10 at/cm. La concentration maximum, après implantation, y est de 5.1015 at/cm3 à une profondeur très proche de 0,4 pm. Après le recuit final, la concentration moyenne est comprise 14 15 3 entre 5.10 et 10 at/cm. Un contact ohmicrue de bonne qualité est obtenu, par l'intermédiaire des zones 16A et 16B entre la région superficielle 14 de porte qui vient se fondre dans les- dites zones et la région profonde de porte constituée par la partie de couche 10 située immédiatement sous la région de canal 15. Le transistor à effet de champ selon l'invention décrit pré- cédemment a été représenté sous une forme élémentaire. D'autres formes de réalisation plus complexes sont possibles, notamment la forme "interdigitée" selon laquelle des sous-régions de source et d'évacuation sont disposées en alternance, séparées par des sous-régions de porte, des lamelles de liaison établissant les interconnexions nécessaires entre les sous-régions correspon- dantes pour constituer des régions complètes du transistor. Dans ce cas, l'invention s'applique également, le masque définissant les contours communs des régions de canal et de porte comportant autant d'ouvertures au'il y a de sous-régions de canal et de porte. On se reporte maintenant aux figures 4 et 5 o le transistor à effet de champ représenté est du type "concentrique", la région d'évacuation entourant la région de source (ou inversement). Sur ces figures 4 et 5, les mêmes chiffres repères que sur lés fi- gures 1 et 3 ont été retenus pour désigner les éléments analogues. On reconnaît, dans la partie centrale, la région de source 12 munie de son contact 19 et, à la périphérie, la région d'éva- cuation 13 munie de son contact 20. La région 12 a, par exemple, une forme carrée. La région 13, qui l'entoure à distance régu- lière, est ouverte largement sur l'un de ses côtés, celui placé à droite de la figure 4. L'aire occupée par les domaines 114 et 115 se situe en partie entre les régions 12 et 13 (régions de porte 14 et de canal 15) et en partie à l'extérieur de la région 13 dont elle déborde,à droite sur la figure 4, pour aller se fondre dans la zone 16 qui assure un contact ohmique entre la région 14 et la couche 10. La surface à travers laquelle ont été implantés les domaines 114 et 115 est ici celle se situant entre les traits 17A et 17B qui figurent la trace du masque d'implantation. -10- 2460543 On retrouve également sur les figures 4 et 5, les contacts 19 sur la région de source 12, 20 sur la région d'évacuation 13 et 21 sur la zone semiconductrice 16. -11- 2460543 - REVENDICATIONS - 1.- Transistor à effet de champ du typ.e à jontion comportant essentiellement, élaborées au voisinage de la surface d'une couche semiconductrice du premier type de conductivité, -une première région, dite région de source, du deuxième type de conductivité, fortement dopée, -une deuxième région, dite région d'évacuation, distincte de la précédente, mais également du deuxième type de conductivité et fortement dopée, -une troisième région, superficielle, dite région de porte, du premier type de conductivité, située entre les première et deuxième régions précitées, s'étendant jusqu'à celles-ci et, par ailleurs, en contact ohmique avec ladite couche, -une quatrième région, dite région de canal, du deuxième type de conductivité, faiblement dopée, disposée sous la troisième réqion et s'étendant aussi jusqu'aux première et deuxième régions, caractérisé en ce aue lesdites troisième et quatrième régions font partie, respectivement, d'un domaine du premier type de con- ductivité et d'un domaine du deuxième type de conductivité qui ont sensiblement le même contour, et en ce que le contact ohmique entre la troisième région et ladite couche est obtenu par l'in- termédiaire d'au moins une zone semiconductrice- du premier type de conductivité, fortement dopée, créée dans ladite couche et qui touche audit domaine du premier type de conductivité. 2.- Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite zone semiconductrice est voisine de l'épaisseur de celle de ladite troisième région. 3.- Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite zone semiconductrice est au moins égale à l'épaisseur totale desdites troisième et quatrième régions. 4.- Procédé de réalisation d'un transistor selon la revendi- cation 1, selon lequel lesdits domaines incluant les troisième et quatrième régions sont obtenus par implantation ionique, caractérisé en ce que ces domaines sont engendrés successivement à travers un même masque.