Brevet FR2487128A1 — publié le 19820122

La présente invention concerne de façon générale les dispositifs semiconducteurs et leur technologie et elle porte plus particulièrement sur les transistors de puissance. Les transistors à effet de champ à structure plane, en particulier les transistors à effet de champ du type métal-oxyde-silicium (MOS), sont utilisés dans les réseaux à haut niveau d'intégration et dans les dispositifs de puissance discrets. Ces dispositifs présentent cependant une limitation pour les applications de puissance, qui réside dans l'aire élevée qu'ils nécessitent. L'utilisation de structures à gorges, alignées verticalement, a conduit à un perfectionnement des transistors de puissance. Grâce à la gorge en V, formée par- attaque préférentielle de la matière semiconductrice, le transistor à effet de champ peut être construit verticalement, au lieu de l'être laté- ralement, ce qui conduit à une plus courte longueur de canal et à une plus faible résistance entre la source et le drain, à l'état conducteur. Le brevet U.S. 4 219 835 décrit un transistor de puissance à effet de champ à gorges en V de structure mésa. Dans cette structure, une couche isolante est dispo- sée sur une surface du dispositif et sur les parois laté- rales de la structure mésa, avec une couche de métal sur la couche isolante pour former une électrode de champ ou une plaque de champ desource. Cette structure mésa origi- nale, dans laquelle la plaque de champ de source recouvre les jonctions PN de la structure mésa, offre une tension de claquage améliorée, avec une résistance de canal ayant de façon correspondante une valeur faible. L'invention a pour but de réaliser un transistor de puissance de type mésa perfectionné. L'invention a également pour but de réaliser un transistor à effet de champ à gorges en V et une structure mésa ayant une configuration d'électrodes perfectionnée. L'invention a également pour but d'offrir un procédé de réalisation de la configuration d'électrodes d'un transistor de puissance permettant d'obtenir une ten- sion de claquage plus élevée avec une résistance de canal plus faible. En résumé, conformément à l'invention, un disposi- tif de puissance tel qu'une diode ou un transistor est formé dans un corps semiconducteur comprenant une structure mésa définie sur une surface principale du corps. Les régions actives du dispositif de puissance sont définies dans la structure mésa et une matière isolante est placée à la surface supérieure de la structure mésa et s'étend jusqu'à la surface principale du corps semiconducteur. Une première matière conductrice traverse la matière isolante pour venir en contact avec le corps semiconducteur et entoure la structure mésa, ce qui établit un anneau de limitation des charges à la surface du dispositif et maintient la stabi- lité de la tension de claquage du dispositif de puissance. Dans un mode de réalisation préféré, le disposi- tif de puissance est un transistor à effet de champ de type vertical à gorges dans lequel les régions de source et de canal sont formées dans la structure mésa, tandis que le substrat forme le drain. L'anneau de limitation des charges vient en contact avec le substrat et la région de drain pour s'opposerà l'accumulation de charges à la surface du substrat. Il peut exister une électrode de champ en contact électrique avec les régions de source et de canal. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisations donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une coupe d'un transistor à effet de champ à gorges conforme à un mode de réalisation de l'invention; La figure 2 est une vue de dessus du transistor à effet de champ de la figure 1; La figure 3 est une coupe du transistor de la figure 1 et elle montre les lignes équipotentielles dans le dispositif; et Les figures 4A-4I sont des coupes qui illustrent les étapes de fabrication du dispositif de la figure 1. On va maintenant considérer les dessins sur lesquels la figure 1 est une coupe d'un transistor de puissance correspondant à un mode de réalisation de l'inven- tion et la figure 2 est une vue de dessus du dispositif. On notera que les figures ne sont destinées qu'à illustrer l'invention et ne sont pas dessinées à l'échelle. Dans ce mode de réalisation, le transistor de puissance consiste en un transistor à effet de champ du type mésa, à gorges, similaire à la structure décrite dans le brevet U.S. 4 219 835. Le dispositif comprend un substrat 10 de type N+ et une couche épitaxiale 12, de type N. Une région 14 de type P, formée par implantation ionique ou par croissance épitaxiale dopée, est établie sur la région 12, de type N et une région 16 de type N+ fortement dopée, est établie sur la région 14 de type P. La région 16 de type N+ peut être formée par diffusion sélective d'impure- tés dans la région 14 de type P, comme on le décrira ci-après de façon plus détaillée, ou bien on peut employer d'autres techniques classiques pour former cette région. Une gorge désignée globalement par la référence 18 est formée dans la structure et traverse la région 16 de type N+ et la région 14 de type P, pour pénétrer dans la région 12 de type N_. De l'oxyde de silicium 20 est formé à la surface de la gorge 18 et une matière conductrice 22, comme par exemple de l'aluminium ou du silicium polycris- tallin dopé, est formée sur l'oxyde de silicium 20 et forme l'électrode de grille du transistor à effet de champ. La région 16 fait fonction de source, les régions et 12 font fonction de drain et la région 14 de type P, entre la source et le drain, constitue la région de canal qui est commandée par l'électrode de grille 22. De l'oxyde de silicium 24 est formé sur les côtés de la structure mésa tandis qu'un motif conducteur 26,destiné à l'établissement de contacts électriques, est formé sur l'oxyde de silicium et établit un contact ohmi- que avec la région de source 16 et la région de canal 14, comme il est représenté. La partie de la matière conduc- trice 26 qui descend sur le côté de la structure mésa forme une plaque de champ de source. Pour la commutation de tensions et de courants élevés, une telle structure de transistor à effet de champ offre de préférence une faible résistance à l'état conduc- teur, une vitesse de commutation élevée et une tension de claquage élevée. On obtient la-résistance faible par la structure verticale. Cependant, l'obtention d'une tension de claquage élevée a un effet défavorable sur la résistance du transistor à l'état conducteur. L'invention offre une technique de réalisation de la configuration d'électrodes qui est destinée à augmenter la tension de claquage et à limiter l'étalement des charges en surface, assurant ainsi la stabilité et la fiabilité du dispositif. Comme il est représenté dans le mode de réalisa- tion des figures i et 2, une couche conductrice 30 est placée sur la structure et cette couche entoure le transis- tor à gorgeset vient en contact avec la région de drain en 32. Ainsi, l'anneau 30 est porté à une tension égale à la tension de drain, ce qui empêche l'accumulation de charges dans l'oxyde de silicium qui recouvre la structure. Une couche d'oxyde de silicium 34 recouvre le dispositif. -La figure 3 est une coupe de la structure, simi- laire à la figure 1, et montre dles lignes équipotentielles 36 dans la région de drain-substrat pendant le fonctionne- ment du dispositif. Grâce à la structure mésa et à la con- figuration d'électrodes, des lignes équipotentielles ont une forme régulière et relativement rectiligne, sans chan- gements brusques au voisinage de la frontière entre le substrat et l'oxyde de silicium. Les lignes équipotentiel- les s'étendent à l'intérieur de l'oxyde de silicium entre la plaque de champ 26 et l'anneau de limitation de charges , comme il est représenté. Le dispositif représenté sur la figure i peut être fabriqué facilement au moyen des techniques classiques de fabrication des dispositifs semiconducteurs, comme celles décrites dans le brevet U.S. 4 219 835. Les repré- sentations en coupe des figures 4A-4I montrent les étapes de fabrication du dispositif. On notera que cette descrip- tion ne montre qu'un exemple d'une succession d'étapes de fabrication du dispositif et qu'on pourrait employer d'autres processus classiques dans le cadre de l'invention. La figure 4A montre le substrat 40 de type N+ (0,007-0,05 ohm.cm par exemple). La figure 4B montre la couche épitaxiale 42 de type N (5-8 ohm. cm par exemple) qu'on fait croître sur le substrat 40, et la figure 4C montre la région 44 de type P qu'on forme sur la couche épitaxiale 42 de type N par implantation ionique (1013 ions/cm3 par exemple), à travers la couche d'oxyde 43. Selon une variante, on peut faire croître une couche épitaxiale de type P sur la couche épitaxiale 42 de type N. La-figure 4D montre une fenêtre de diffusion 47 qui est formée par attaque à travers la couche 43 et une région 48 de type N+ (1019atomes/cm3 par exemple) qui est formée par diffusion d'une impureté à travers la fenêtre 47. Ensuite, comme le montre la figure 4E, on forme une nouvelle couche d'oxyde de silicium 50, par croissance thermique à la surface de la région 48; et on forme la fenêtre 52 et les fenêtres 54 dans l'oxyde de silicium. Comme le montre la figure 4F, on applique ensuite un agent d'attaque sélectif au corps semiconducteur, à travers les fenêtres 52 et 54, et les gorges 56, 58 et 60 sont formées par une attaque qui traverse la région P pour venir en contact avec la couche épitaxiale 42 de type N_. Comme le montre la figure 4G, on forme une couche mince d'oxyde 62 à la surface des gorges 56, 58 et 60. On forme ensuite du silicium polycristallin dopé 66 sur l'oxyde de silicium et on enlève sélectivement le silicium polycristallin, sauf sur l'oxyde de grille. Comme le montre la figure 4H, on effectue un dépôt supplémentaire d'oxyde de silicium. On grave des ouvertures à travers l'oxyde de silicium pour mettre à nu les régions de source 48 et de canal 44 et la couche épitaxiale 42 de type N_. On applique ensuite sur la couche d'oxyde de silicium une matière conductrice telle par exemple que de l'aluminium, et on l'attaque sélectivement pour former la plaque de champ de source 68, en contact avec les régions de source et de canal, et l'anneau de limitation de charges 70, en contact avec la couche 42. Enfin, comme le montre la figure 4I, on forme sur la surface du dispositif une couche d'iso- lation plus épaisse, 74, consistant par exemple en oxyde de silicium déposé en phase vapeur. En utilisant l'anneau de limitation de charges 70, présentant des parties en retrait, en combinaison avec la plaque de champ de source 68 dans les régions en retrait 56 et 60 entourant la structure du transistor, on obtient une configuration d'électrodes pour le dispositif qui permet de réaliser une commutation à tension plus élevée et à courant plus élevé. On notera que le mode de réalisation décrit ne constitue qu'un exemple et ne doit pas être considéré comme limitatif. Par exemple, on peut employer d'autres diodes et transistors de puissance du type mésa, comprenant des dispo- sitifs bipolaires et des dispositifs DMOS de type vertical. L'anneau de limitation de charges 70 peut être placé directement sur la matière semiconductrice, sans l'oxyde de silicium sous-jacent. Le choix d'une configuration particu- lière de dispositif peut être déterminé par la compatibilité avec le processus de fabrication utilisé pour réaliser la structure de transistor. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté,- sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de puissance comprenant un corps semiconducteur (10, 12) ayant une surface principale, une structure mésa sur cette surface principale, au moins une jonction P-N située dans la structure mésa et définissant une région active du dispositif de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend une première matière conductrice (30) qui est disposée sur la surface principale, entoure la structure mésa et vient en contact avec le corps semicon- ducteur. 2. Dispositif de puissance selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une matière isolante (24) située sur la surface principale et entourant la structure mésa, et en ce que la première matière conductrice (30) recouvre cette matière isolante. 3. Dispositif de puissance selon l'une - des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend une gorge (18) formée dans la structure mésa, et les diffé- rentes jonctions P-N définissent les régions de source (16), de canal (14) et de drain (10, 12) d'un transistor à effet de champ. 4. Dispositif de puissance selon la revendication 3, comprenant en outre de la matière isolante (24) sur la structure mésa, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde matière conductrice (26) en contact avec les régions de source (16) et de canal (14) et recouvrant la matière isolante (24) située sur la structure mésa, cette seconde matière conductrice (26) étant espacée par rapport à la première matière conductrice (30). 5. Transistor de puissance à effet de champ de type vertical comprenant un corps semiconducteur (10, 12) d'un premier type de conductivité et ayant une surface principale, une structure mésa sur cette surface principale, une première région (14) dans la structure mésa qui est d'un type de conductivité opposé et définit une région de canal, une seconde région (16) du premier type de conducti- vité qui définit une région de source dans la première région (14), une gorge (18) dans la structure mésa qui s'étend à travers les première et seconde régions, une première matière isolante (20) formée sur la surface de cette gorge (18), une première matière conductrice (22) formée sur la première matière isolante (20) et définissant une électrode de grille, une-seconde matière isolante (24) sur la surface de la structure mésa, une seconde matière conductrice (26) sur la seconde matière isolante, cette seconde matière conductrice venant en contact avec la seconde région (16) et définissant un contact de source, caractérisé en ce qu'il comporte une troisième matière conductrice (30) qui est en contact avec le corps semicon- ducteur (10, 12), qui entoure la structure mésa et qui définit un anneau de limitation de charges. 6. Transistor de puissance selon la revendication , caractérisé en ce qu'il comprend en outre une troisième matière isolante située sur la surface principale entou- rant la structure mésa, et la troisième couche conductrice (30) recouvre cette troisième matière isolante. 7. Transistor de puissance selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la seconde matière isolante (24) et la seconde couche conductrice (26) descendent sur le c8té de la structure mésa et recouvrent une partie de la surface principale, la seconde couche conductrice constituant une plaque de champ. 8. Transistor de puissance selon la revendication 7, caractérisé en ce que le corps semiconducteur (10, 12) est en silicium et la première matière isolante (20), la seconde matière isolante (24) et la troisième matière iso- lante sont en oxyde de silicium. 9. Transistor de puissance selon la revendication 8, caractérisé en ce que la première matière conductrice (22) consiste en silicium polycristallin dopé.