Brevet FR2463544A1 — publié le 19810220

La présente invention concerne un dispositif de com- mutation à semi-conducteur et son procédé de fabrication; plus particulièrement, l'invention concerne un circuit lo- gique à transistors à barrière de Schottky dans lequel le transistor à barrière de Schottky (PN,: positif-négatif- métal) et un transistor de charge NPN de chaque porte sont fusionnés verticalement de manière que chaque jonc- tion soit située entièrement dans une même région super- ficielle isolée électriquement d'un susbtrat semi-conduc- teur. Une porte logique à transistors à barrière de Schottky, telle qu'elle a été définie en 1975 par Berger et Wiedmann (ISS3C Digest of Technical Papers, pages 172-173), comporte un transistor PNM à barrière de Schottky fusionné avec un transistor NPN de manière qu'une même région P ser- ve à la fois d'émetteur du transistor à barrière de Schottky et de base du transistor NPN, et qu'une même ré- gion N serve à la fois de base du transistor à barrière de Schottky et de collecteur du transistor NPN. Trois ré- gions semi-conductrices suffisent donc pour former les deux transistors. Un objet de l'invention est donc d'apporter une tech- nologie améliorée pour la réalisation d'une porte logique à transistors à barrière de Schottky. Plus particulière- ment, l'invention concerne une géométrie plus compacte et plus efficace de la porte, permettant une plus grande sou- plesse pour les connexions des circuits. Un autre objet de l'invention est de proposer une nouvelle géométrie pour un circuit logique à transistors à barrière de Schottky comprenant une chaîne inverseuse dans laquelle un courant est uniformément distribué vers chaque porte par une jonction base-émetteur NPN commune, et comprenant aussi un nouvel étage de sortie. Un autre objet encore de l'invention est de proposer un procédé de fabrication du dispositif et du circuit, mettant en oeuvre la technologie des composants bipolaires isolés et l'implantation ionique. Selon un aspect, l'invention concerne donc un élé- ment de commutation à semi-conducteur comprenant un tran- sistor PIMI à barrière de Schottky fusionné verticalement avec un transistor de charge NPN de manière que chaque jonction du dispositif soit située entièrement dans une même région superficielle isolée électriquement d'un sub- strat semi-conducteur. Un circuit de courant pour la sur- face de contact vers l'émetteur du transistor NPN est cons- titué en partie par une couche encastrée de type N+. Selon un mode de réalisation, la région de collecteur du transistor NPN et de base du transistor PNM comporte un seul contact ohmique, en plus du contact de collecteur à barrière de Schottky. Selon cette géométrie, l'entrée du circuit se fait sur le contact ohmique et la sortie du circuit est prélevée au contact de barrière de Schottky, situ& dans la même région de type N. Selon un autre mode de réalisation, une géométrie est adoptée pour une porte NON-OU à plusieurs entrées et une seule sortie, dans laquelle des diodes d'entrée de Schottky à barrière basse sont fabriquées sur la région de collecteur du transistor NPN et de base du transistor PNM (au lieu d'un contact ohmique), en plus du contact de collecteur de Schottky. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaftront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'e- xemples nullement limitatifs: La fig. la est un schéma électrique d'un segment d'u- ne cha!ne inverseuse, La fig. lb est une vue de dessus d'un mode de réali- sation de cette chaîne inverseuse, La fig. lc est une coupe du mode de réalisation de la fig. lb, La fig. 2 est un schéma électrique d'un inverseur d'une chaîne qui attaque un autre inverseur et un étage de sortie, La fig. 3 est une courbe des délais de propagation en fonction du courant par étage dans la chaîne inverseuse, La fig. 4 est un schéma électrique d'une porte NON-OU à plusieurs entrées et une seule sortie, La fig. 5 représente symboliquement la porte NON-OU de la fig. 4, et La fig. 6 est une coupe d'une réalisation intégrée du circuit de la fig. 4. La fig. la montre donc deux transistors PNI, T1 et T2, connectés en cascade et formant un segment d'une chaîne inverseuse. Le collecteur du transistor NPN T3 est commun avec la base d'un transistor PNM et il est connecté au collecteur du transistor à barrière de Schottky voisin. La topologie illustrée par la fig. lb démontre la sim- plicité et la compacité de la géométrie de la chaúne in- verseuse PNM, de l'interconnexion des émetteurs NPN 11 et 12, et séparément de l'interconnexion des régions 13 et 14 d'émetteur de transistor PNM et de base de transistor XPN. Bien entendu, ces interconnexions ont pour but de réduire la résistance en série car les composants NPN se partagent une base commune et une région d'émetteur com- mune. La chaîne inverseuse peut être considérée comme un transistor NPN vertical avec des collecteurs multiples, comportant chacun un contact ohmique 15 (de base) et un contact de Schottky 16 (de collecteur). Un courant est distribué uniformément à chaque porte par la jonction é- metteur-base NPN commune. La coupe de la fig. lc montre la région centrale P 21 entourant complètement la région 22 de collecteur NPN et de base PNM. Mais la région P n'entoure pas la région centrale N dans d'autres modes de réalisation car la par- tie active se situe seulement entre l'émetteur et le collecteur NPN comme le montre par exemple la fig. 6. Le contact superficiel d'émetteur 23 du composant NPN est isolé latéralement du reste de la porte par une région d'oxyde 24 et il est connecté électriquement à une ré- gion 26 par une région sous-superficielle 25 du type N+. Le schéma de la fig. 2 montre le collecteur d'un inverseur T4 de la chaîne, attaquant deux charges. L'une des charges est un autre inverseur de la chaîne et l'au- tre est un inverseur tampon T5 qui, à son tour, attaque la base du transistor de sortie T6 à charge d'émetteur. Pour un bon fonctionnement, il faut que la valeur de bêta PN de l'inverseur attaquant deux charges soit égale ou supé- rieure à 2. Ce composant a été fabriqué selon la techno- logie des composants bipolaires isolés. La fig. 3 montre le retard de propagation moyen en fonction du courant par étage, déterminé pour la chatne inverseuse. La forme de la co:rbe est la même que celle d'un composant classique de type I L.Les trois mêmes régions de fonctionne- ment existent et résultent du même mécanisme physique. Le produit de la puissance dissipée par le délai de propagation ramené à 1 volt (I x TPD), qui est inférieur à 60 x 1015 joules dans la région linéaire ou extrinsèque de fonctionnement. est directement proportionnel à l'excursion de tension, à la capacité de la jonction base-émetteur N-P+ du transistor PNM et à la capacité du collecteur du transistor de Schottky. L'excursion de tension / V est donnée par: AT = VBE: VON (PM) Les petites dimensions de l'inverseur (surface de base de l'émetteur PNM = 206/um2 et surface du collecteur de Schottky = 18,75/um2) et la faible capacité par unité de surface contribuent à la faible capacité du composant. La faible capacité collecteur-base résultant du collecteur de Schottky réduit au minimum l'effet Miller. La courbe s'aplatit et commence à remonter en:-raison des effets ré- sistifs associés avec la base PET et la capacité par dif- fusion de la jonction émetteur-base du transistor PNM. La forte résistance de la base PNI est une conséquence de la géométrie qui permet d'attaquer la base par un seul côté (le côté sur lequel le contact de base est situé comme le montre la fig. 1). La vitesse limite de ce com- posant qui est optimisée en ce qui concerne son rendement dans la région extrinsèque est 2,76 ns à 60/uA. La résis- tance de base pourrait être réduite dans un composant avec une région N+ entourant le collecteur de Schottky. Un composant de ce type pourrait offrir une plus haute vi- tesse limite mais sacrifierait la dissipation de puissance pendant le temps de retard dans la région linéaire de fonc- tionnement en raison des plus grandes dimensions. L'élément de commutation est fabriquée dans une cou- che épitaxiale du type N sur une diffusion intérieure sé- lective du type N+ (voir fig. lb et lc). Une couche épaisse d'oxyde de champ (1,5 micron) rencontre une implantation d'arrêt à canal de bore diffusée vers le haut, assurant l'isolement du composant. Une implantation profonde de bore (énergie = 700 keV et dose = 1 x 1014 cm-2) constitue la région intrinsèque de base NPN et d'émetteur PNIvI, et une légère implantation de phosphore (énergie = 200 keV et dose = 5 x 1012 cm-2) détermine les propriétés de base in- trinsèque PNE. La région de base NPN et d'émetteur PNI est atteinte par une diffusion P+. Une implantation d'arsenic N+ forme le contact ohmique de base PNN. Une couche de PtSi constitue le contact de barrière de Schottky sur la couche épitaxiale du type N au-dessus de la base intrinsèque d'ions implantés et le contact ohmique avec les régions P+ et N+. Pour obtenir la compatibilité avec des circuits logiques de type T2L, une opération supplémen- taire de masquage est nécessaire pour la base intrinsèque des transistors NPN périphériques commandés normalement. Le remplacement de la région N+ (contact ohmique de base PNM) par une implantation ionique du type N, comme celle des composants de Schottky de type I L permet la fabrication de diodes de Schottky D1, D2, D3 multiples à barrière basse sur une base PNLI pour le décou- plage d'entrée et la réalisation du circuit logique à transistor de Schottky de la fig. 4. Dans le cas-d'un cir- cuit de Schottky - de type I2L, cette implantation du type N détermine la tension directe de la diode à bar- rière de Schottky, réduit l'action parasite PNM abaissant de façon adéquate la valeur de bêta et réduit la résis- tance en série du collecteur NPN. Dans cette réalisation d'un circuit logique à transistor de Schottky, l'implan- tation du type N réduit également l'emmagasinage de charge et la résistance de base du transistor PNMI. L'implantation du type N est effectuée après l'implantation de bore sous forte énergie et elle est masquée de la base intrinsèque PNMJ par une couche photosensible mise en forme. La porte logique à transistor de Schottky de la fig. 4 est un inverseur à plusieurs entrées, une seule sortie. Le transistor de charge iN Tc fournit le courant d'attaque de base au transistor de commutation T quand toutes les entrées 1, E2, E3 sont au niveau bas (potentiel le plus négatif ou niveau "O"). Un niveau "1" à l'une des entrées produit un niveau "0" à la sortie; l'unité remplit donc la fonction logique positive NON OU (fig. 5). L'emmaga- sinage de charge à la base et l'émetteur du transistor de commutaiboh-est déterminé par l'implantation profonde de bore et l'implantation de phosphore du type N qui sont insensibles aux variations d'épaisseur de la couche épi- taxiale, contrairement à un composant classiqueou de Schot- tky de type I2L. Ainsi, ce circuit logique à transistor de Schottky permet une meilleure commande de la vitesse de commutation par rapport à d'autres formes de type I2L, lors du fonctionnement à la -vitesse limite intrinsèque, ou au voisinage. La souplesse des connexions est meilleure que celle des circuits logiques de type I 2L et Schottky de type I 2L.Les entrées et la sortie peuvent être placées dans n'importe lequel des canaux disponibles de connexion car la pré- sence d'une implantation du type N détermine si un contact de Schottky est une entrée ou une sortie. De plus, les connexions d'alimentation et de masse ne sont pas limitées. Les circuits logiques de type I L et Schottky de type I2L imposent un positionnement prédéterminé du contact d'injecteur (alimentation). La fig. 6 est une coupe d'une réalisation intégrée du circuit de la fig. 4. La comparaison avec la fig. lc montre que le contact ohmique de la région de base PNM et de collecteur NPN est remplacé par trois contacts d'en- trée à barrière de Schottky. Ces entrées doivent avoir une hauteur de barrière inférieure à celle du contact de collecteur du transistor PNM. Ce résultat est obtenu fa- cilement dans un mode de réalisation par une légère implan- tation de phosphore (1,2 x 1013 atomes par cm3 sous 100keV) par les fenêtres des contacts d'entrée avant la formation de ces contacts, de manière que le même ensemble de con- tacts de Schottky, de préférence en PtSi, convienne en- suite pour les entrées et la sortie. Il faut aussi noter que la région de collecteur NPN et de base PNM s'étend jusqu'à l'isolement d'oxyde dans ce mode de réalisation, sauf pour le puits d'accès P+ pour le contact avec la ré- gion de base NPN et d'émetteur PNM. Cette variante est équivalente fonctionnellement à la région correspondante 21 de la fig. lc, et elle est avantageuse pour l'économie de surface. RVENDICATIONS 1 - Elément de commutation à semi-conducteur, carac- térisé en ce qu'il comporte un transistor PNM (T1) à bar- rière de Schottky fusionné verticalement avec un transis- tor de charge NPN (T3) de manière que la base du transis- tor PNI constitue également le collecteur du transistor NUI et que l'émetteur du transistor PNM constitue égale- ment la base du transistor NPN, chaque jonction dudit é- lément étant située entièrement dans une même région su- perficielle isolée électriquement d'un substrat semi- conducteur. 2 - Elémént selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune desdites'jonctions est formée dans une ré- gion (22) isolée électriquement d'une couche superficielle du type N sur un substrat semi-conducteur (21) du type P. 3 - Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit substrat comporte une couche encastrée (25) du type N+ se prolongeant au-dessous de ladite couche su- perficielle et dans laquelle est formé un circuit de cou- rant en contact superficiel avec la région d'émetteur du transistor NPN. 4 - Elément selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des contacts multiples d'entrée (E1, E2, E3) de diodes multiples de Schottky à barrière basse sur la région de base du transistor PNMN et de collecteur du transistor NPN. - Circuit logique à transistors, caractérisé en ce qu'il comporte une chafne de transistors PNMI (T1, T2, T4, T5) à barrière de Schottky connectés en cascade de ma- nière que le collecteur de chacun d'entre eux attaque la base du suivant, et fusionnée avec une chaîne de transis- tors NPN (T3) à émetteur commun et base commune, la base de chaque transistor à barrière de Schottky comprenant un collecteur de transistor NPN, le circuit logique compor- tant également un étage de sortie constitué par un in- verseur tampon PNDI connecté de manière à attaquer un é- tage (T6) à charge d'émetteur. 6 - Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque jonction est orientée verticalement sur une région encastrée (25) du substrat, de type N+. 7 - Circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce que des contacts de région d'émetteur de transistor NPN sont isolés latéralement et communiquent électriquement par ladite région encastrée (25) du type N+. 8 - Procédé de fabrication d'un dispositif de commuta- tion à transistors de Schottky, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à préparer un substrat de sili- cium monocristallin portant une mince couche superficielle (26) de forte résistivité et de conductibilité du type N, et une région soussuperficielle (25) de faible résistivité et également de conductibilité du type N, à isoler élec- triquement des première (21) et seconde (22) parties de ladite couche superficielle au-dessus de ladite région sous-superficielle, à doper sélectivement ladite première partie (21) de la couche superficielle pour former une ré- gion de conductibilité du type P, à doper sélectivement ladite région (22) de conductibilité du type P pour en re- convertir une partie en conductibilité du type N, à for- mer des contacts comprenant au moins un contact de Schot- tky sur ladite région du type N reconvertie, à former un contact ohmique sur ladite région du type P et à former un contact ohmique sur ladite seconde partie isolée de la couche superficielle pour terminer le dispositif. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite opération de dopage sélectif de ladite pre- mière partie (21) est effectuée avec un dosage d'implan- tation de bore d'environ 1014 atomes par cm2, avec une é- nergie de 700 keV. - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'opération de dopage sélectif de ladite région de type P (22) est effectuée par une implantation de phos- phore d'environ 5 x 1012 atomes par cm2 et une énergie de keV.