Brevet FR2477778A1 — publié le 19810911

La présente invention concerne une structure de transistor à effet de champ à. grille isolée obtenue par diffusion et l'association de tels transistors pour former des portes logiques sur des plaquettes de circuits intécrés portant également des composants de type bipo- laire ou autre. On s'intéressera tout particulièrement ici au cas o, parmi ces composants bipolaires, certains au moins doivent supporter des tensions élevées, supé- rieures à. une trentaine de volts. Dans la suite du texte, on désignera par le sigle TECGID un transistor à. effet de champ à jrille isolée obtenu par diffusion. On notera que des transis- tors de structures voisines sont couramment désignés également dans la technique par l'appellation d'origine anglo saxonne DMOS. Dans le domaine des circuits intégrés, on cherche souvent à. réaliser sur une plaquette unique un circuit comprenant notamment des composants pouvant supporter une puissance et une tension relativement élevées et des composants permettant d'assurer diverses fonctions logi- ques. Les composants pouvant supporter des tensions à puissance relativement importante sont généralement des circuits intégrés linéaires du type bipolaire dont l'une des caractéristiques est de comprendre un substrat semiconducteur, couramment du silicium d'un premier type de conductivité, sur lequel est formée une couche épitaxiée du type de conductivité opposé, la couche épitaxiée étant divisée en caissons par des murs d'isolement de même type que le substrat. Dans chacun de ces caissons est formé un composant élémentaire ou un ensemble de composants élémentaires interconnectés. Les figures 1A et IB rappellent la structure connue d'un transistor bipolaire disposé dans un caisson d'une plaquette de circuit intégré. La plaquette comprend un substrat 1 de type P sur lequel est formée une couche épitaxiée 2. Un caisson 3 comprenant une partie de la couche épitaxiée 2 est limité par des murs d'isolement 4 de type P. Au fond du caisson se trouve une couche enterrée 5 de type N. Dans le caisson est diffusée localement une couche 6 de type P puis, ensuite, des zones de type N, 7 et 8, respectivement à l'intérieur de la couche 6 de type P et à l'intérieur de la couche épitaxiée 3. Des métallisations 9, 10 et 11 solidaires respectivement des couches 7, 6 et 8 constituent respec- tivement des bornes d'émetteur, de base et de collecteur pour le transistor. La figure lB dans laquelle de mêmes zones sont désignées par de mêmes références- qu'en figure 1A représente une vue de dessus du caisson 3 de cette figure 1A. Alors que la figure 1A était une figure fortement schématique, la figure 1B représente à l'échelle un mode de réalisation de transistor bipolaire avec un dimensionnement réaliste. Les cotes ont été indiquées en microns. On voit que le caisson occupe une dimension de l'ordre de 100 x 140 microns, ce qui constitue sensible- ment les dimensions minimales à l'heure actuelle pour des réalisations industrielles. L'un des aspects qu'il convient de souligner sur ces transistors bipolaires est que, plus la tension que doivent supporter ces composants est élevée, plus l'épaisseur du caisson doit être importante, par exemple supérieure à une dizaine de microns, plus le niveau de dopage de cette couche épitaxiée doit être faible, par exemple inférieur à 1015 at/cm, et plus la distance entre la partie active et le mur d'isolement doit être grande. Pour réaliser une structure logique sur une pla- quette de circuit intégré comprenant des transistors bipolaires tels. que ceux des figures lA et lB, il convient bien entendu d'utiliser des composants dont la technologie soit compatible avec celle de ces transistors bipolaires. La solution la plus évidemment compatible consiste à, utiliser des transistors bipolaires analogues. Mais alors, on se trouve obligé, pour fabriquer un circuit logique, d'utiliser un grand nombre de transistors bipolaires réalisés. individuellement dans des caissons, c'est-à- dire que cette structure logique occupera une dimension importante comme le fait ressortir la figure lB, et ceci en grande partie à cause de l'intervalle important obligatoire entre les diffusions de base et d'émetteur et le mur d'isolement. L'une des technologies connue et mise en oeuvre pour fournir des structures logiques sur des plaquettes de circuits intégrés de façon compatible avec des transis- tors bipolaires est connue sous l'appellation I L. On pourra trouver par exemple quelques notions sur cette structure dans l'ouvrage de H. Lilen intitulé "circuits intégrés linéaires", pages 63-65, 4ème édition, paru aux éditions Radio en 1978. Cette technologie permet notamment d'obtenir des transistors multicollecteurs- l'intérieur d'un même caisson. Néanmoins, dans le cas o la couche épitaxiée voit son niveau de dopage diminuer, c'est-à-dire dans le cas évoqué ci-dessus o certains au moins des transistors bipolaires du circuit intégré doivent supporter une tension importante, les transistors de type I2L commencent à. mal fonctionner. Il est donc alors souhaita- ble de rechercher une autre technologie compatible avec des circuits intégrés bipolaires et avec un niveau de dopage relativement faible de la couche épitaxiée. C'est là l'un des principaux objets de la présente invention. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit une structure de transistors TECGID formée dans un caisson d'une plaquette de circuit intégré comprenant des transistors bipolaires haute tension et éventuellement d'autres composants de la technologie bipolaire ou compa- tibles avec celle-ci, cette plaquette portant, sur un substrat d'un premier type de conductivité, une couche épitaxiée d'un deuxième type de conductivité d'un niveau 3 cue de dopage inférieur à. 10 at/cm3. Dans cette structure, la source de ces transistors TECGID est commune et est constituée par la couche épitaxiée; une couche intermé- diaire du premier type de conductivité est formée dans cette couche épitaxiée; les drains de ces transistors TECGID sont constitués de régions distinctes du deuxième type de conductivité formées dans la couche intermédiaire; et des métallisations de grille isolées sont formées au- dessus de portions superficielles de la couche intermé- diaire, sensiblement entre lés limites en regard des ré- gions de drain et de la région de source. Selon un aspect de l'invention, au moins deux métallisations de grilles, commandables de façon distincte, peuvent être formées entre une zone de drain et la zone de source. Une structure selon la présente invention peut notamment s'appliquer à la formation d'un ensemble d'inverseurs logiques à partir desquels on pourra réaliser simplement toutes les fonctions logiques souhaitées de deux ou plusieurs variables d'entrée. Une porte NON OU (NI) à deux entrées en logique positive, sera constituée d'une structure selon la présente invention comprenant une première zone de drain et deux métallisations de grilles correspondant aux deux-entrées de la porte associées à cette zone. Une porte OU comprendra une zone de drain supplémentaire, la métallisation de grille associée à cette deuxième zone de drain étant connectée à (ou commune avec) la métallisation de la première zone de drain, et la métallisation de la seconde zone de drain correspondant à la sortie de la porte OU. On peut ainsi obtenir des ensembles de portes logiques de petites dimensions à l'intérieur d'un même caisson de circuit intégré bipolaire, les dimensions de cet ensemble de portes logiques étant par exemple du même ordre de grandeur que celles qu'on pourrait obtenir en utilisant la technologie I L. Ces objets, caractéristiques, et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réali- sation particuliers: faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: Les figures lA et 1B représentent un transistor bipolaire classique-et ont été décrites précédemment en relation avec l'état de la technique; la figure 2 représente un schéma de circuit constituant une porte OU; la figure 3 représente en coupe une structure de transistor à effet de champ à grille isolée obtenu par diffusion (TECGID); et la figure 4 représente en vue de dessus une structure de transistors TECGID selon la présente inven- tion. La figure 2 représente le schéma d'un circuit logique élémentaire constituant une porte OU. Ce circuit logique élémentaire comprend deux transistors 20 et 21 dont les collecteurs res) ou les drains (s'il s'agit de transistors à effet de champ) sont interconnectés, dont les émetteurs ou sources sont reliés à. la masse et dont les bases ou grilles 22 et 23 reçoivent des signaux d'entrée E1 et E2* Les collecteurs ou drains sont reliés à la borne d'ali- mentation positive par l'intermédiaire d'une charge 24. Ce premier ensemble réalise par rapport aux signaux d'entrée E1 et E2 une fonction NON OU. La borne commune de collecteur ou de drain est reliée à. la borne de base ou de grille d'un autre transistor 25 dont l'émetteur ou source est relié à la masse (ou borne d'alimentation négative) et dont le collecteur ou drain constitue la borne de sortie 26. Le collecteur ou drain est relié à la borne d'alimentation positive par l'intermédiaire d'une charge 27. Pour réaliser un tel circuit sous forme bipo- laire, les deux transistors 22 et 23 pourront être réa- lisés dans un même caisson et le transistor 25 devra être réalisé dans un caisson distinct, ce qui entraîne la nécessité de prévoir de nombreux caissons si l'on veut réaliser des fonctions logiques complexes de plusieurs variables. La figure 3 rappelle la structure connue d'un transistor à effet de champ à grille isolée obtenu par diffusion ou TECGID, également désigné dans la technique par le sigle DMOS. Un exposé général de la structure des transistors M4OS à double diffusion DMOS est donné par exemple dans l'ouvrage de H. Lilen intitulé "circuits intégrés JFET-MIOS-CMIOS" pages 101-104, 3ème édition, paru aux Editions Radio en 1979. Sur un substrat 30 de type P est formée une région 31 du même type de conduc- tivité P mais à plus fort niveau de dopage à. l'ntérieur de laquelle est formée une région 32 du type de conduc- tivité opposé, N, et à niveau de dopage élevé. La référence 33 désigne une couche d'un matériau isolant, dans la pratique courante de l'oxyde de silicium. Une électrode de drain D est solidaire d'une région N+ 34 formée dans le substrat. Une électrode de source S est solidaire de la couche 32, et une électrode de grille G est formée au- dessus d'une partie de la couche intermédiaire 31 de façon à y former un canal de conduction quand une tension est appliquée. Il est en outre souvent prévu une métalli- sation supplémentaire 35 solidaire de la couche intermé- diaire 31 pour permettre une polarisation éventuelle de cette couche, par exemple par connexion entre la métalli- sation 35 et la métallisation de source S. L'un des avantages souvent mis en exergue des dispositifs de type DMOS représentés en figure 3 réside dans le fait que la largeur de la zone de canal peut être d'une valeur faible, contrôlée avec une grande précision par des techniques d'autoalignement des diffusions successives P et N. On s'intéressera ici à des structures de ce type essentiellement en raison du fait qu'elles sont compatibles dans leur technologie de fabrication avec des procédés utilisés pour la fabrication de transistors bipolaires sur des plaquettes de circuits intégrés. En effet, si on compare les figures 3 et lA, on peut voir qu'il n'y a pas une grande différence de structure en ce qui concerne les couches formées dans le semiconducteur entre un composant de type bipolaire et un composant de type DMOS, en remplaçant dans le composant de type DMOS le substrat de type P par la couche épitaxiée de type N de la figure 1A. Un aspect de la présente invention réside dans le fait qu'au lieu d'utiliser un transistor TECGID tel que celui de la figure 3 avec une métallisation de drain sur le substrat et une métallisation de source sur la couche diffusée N 32, ces métallisations sont inversées et l'on utilise comme source la métallisation solidaire de la couche épitaxiée et comme drain la métallisation solidaire de la couche diffusée 32. Ceci va à l'encontre d'un préjugé établi dans la technique car le fait d'inverser la source et le drain entraîne une perte de tenue en tension, une augmentation de la résistance à l'état passant et une diminution de l'impédance dynamique de sortie. Mais, pour une application à des circuits logiques envisagée dans la présente invention, ces inconvénients sont négligea- bles devant le gain de surface important apporté par la possibilité d'utiliser des transistors TECGID dans un caisson commun plutôt que des transistors bipolaires dans des caissons distincts. La figure 4 représente un mode de réalisation d'une porte logique OU selon le circuit de la figure 2 avec la technologie selon l'invention. Sur un substrat de type N qui correspond à la couche épitaxiée 2 de la figure 1 A, on forme une couche intermédiaire diffusée de type P 41 puis, à l'intérieur de cette diffusion P 41, on forme plusieurs couches diffusées de type N 42, 43. Une métalli- sation de source commune S est prise sur la couche 40, cette métallisation étant reliée au potentiel négatif d'alimentation. Des métallisations D1 et D2 sont solidaires des couches 42 et 43 par l'intermédiaire de zones de con- tact 44 et 45. Et des métallisations de grille G1, G2 et G3 correspondent aux bornes respectives 22, 23 et 26 de la figure 2. La métallisation G3 est solidaire de la métal- lisation D1 comme le montre le schéma de la figure 2. On notera que, selon un aspect de la présente invention, la commande.du transistor dont le drain est constitué par la couche 42 peut être assurée par l'une ou l'autre des grilles G. et G2. On a ainsi obtenu un transistor à source commune à drain unique et à plusieurs grilles. On obtient également selon un autre aspect de l'invention, un transistor à source commune et à plusieurs drains 42, 43. La présente invention permet donc la fourniture de transistors à source commune multidrains et/ou multi- grilles. Les pointillés s'étendant à la droite de la figure 4 indiquent qu'il est possible de multiplier le nombre de drains diffusés à l'intérieur de la couche intermédiaire 41. De même, il serait possible de multiplier le nombre de grilles correspondant à.la couche de drain 42. Les éléments de charge reliant chaque drain au pôle positif de l'alimentation peuvent être d'un type déjà connu: résistance diffusée ou implantée, source de courant à transistor PNP latéral, transistor MOS canal P à appauvrissement, transistor MOS canal N à enrichissement, etc. Dans ce dernier cas, les éléments de charge peuvent être des transistors MOS du type DMOS polarisés cette fois normalement (substrat correspondant au drain et régions diffusées N+ correspondant à la source) et placés tous dans un même caisson d'isolement. En revenant sur les figures 2 et 4, on pourra considérer l'invention comme concernant une structure particulière d'inverseur logique, constituée d'un transis- tor dont la source est connectée à une borne de polarisa- tion négative et dont le drain, qui constitue la borne de sortie, est connecté par l'intermédiaire d'une charge à une borne de polarisation positive; cet inverseur pouvant être associé de façon particulièrement simple à d'autres inverseurs logiques de mnme type pour former diverses sortes de portes logiques NON OU, OU, OU exclusif, NON ET, ET,... et diverses associations de ces portes; le circuit logique complexe résultant occupant une faible surface de semiconducteur en raison de la disposition à source commu- ne unique. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, elle en comprend les diverses variantes et généralisations inclu- ses dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Structure de transistors à effet de champ à grille isolée obtenue par diffusion formée dans un caisson épitaxié d'une plaquette de circuit intégré, reliée à une source de polarisation,comprenant des tran- sistors bipolaires haute tension et éventuellement d'autres composants de technologie compatible, cette couche épitaxiée ayant un niveau de dopage inférieur à 1015 at/cm3, caractérisée en ce que ces transistors ont une source commune constituée par la couche épitaxiée et reliée à la borne négative de la source de polarisa- tion du circuit, une couche intermédiaire de type de conductivité opposé étant formée dans cette-couche épita- xiée, les drains de ces transistors étant constitués de régions distinctes du même type de conductivité que la couche épitaxiée formées dans la couche intermédiaire, et des métallisations de grilles isolées étant formées au-dessus de portions superficielles de la couche inter- médiaire sensiblement entre les limites des régions de drains et de la région de source. 2.Structure de transistors selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque transistor constitue un inverseur logique dont la grille constitue l'entrée et dont le drain, connecté à la borne positive de la source de polarisation, constitue la sortie. 3. Structure selon la revendication 1, caractéri- sée en ce qu'au moins deux métallisations de grilles sont formées entre une zone de drain et la zone de source. 4. Structure selon la revendication 3, constituant une porte logique NON OU à au moins deux entrées, carac- térisée en ce qu'elle comprend un drain et au moins deux métallisations de grille associées à ce drain, chaque métallisation de grille correspondant à une entrée et la métallisation de drain correspondant à la sortie. 5. Structure selon la revendication 4, constituant une porte logique OU caractérisée en ce qu'elle comprend une autre zone de drain associée à une autre métallisa-. tion de grille, solidaire de la métallisation de drain de la porte NON OU. 6. Circuit intégré comprenant des éléments logiques ayant des structures selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5.