Brevet FR2515429A1 — publié le 19830429

La présente invention concerne les transistors à effet de champ, et plus précisément des structures de transistors à effet de champ de puissance. Les transistors à effet de champ du type métal- oxyde-semi-conducteur comportent en général une ligne com- mune ou électrode de grille séparée d'une matière semi- conductrice par une couche isolante L'électrode de grille qui est souvent formée de silicium polycristallin, est placéeau-dessus d'un canal formé dans la matière semi- conductrice et délimité par les régions de drain, de grille et de source du dispositif Une seconde couche isolante est déposée sur l'électrode de grille, et un métal tel que l'aluminium est évaporé au-dessus de la seconde couche isolante afin qu'il forme une couche de métallisation de source Des ouvertures sont formées dans l'électrode de grille et les électrodes isolantes afin qu'elles permettent la formation de contacts avec les régions de source de la matière semi-conductrice, une partie du métal étant aussi déposée à divers emplacements sur les régions de source. Un transistor à effet de champ du type métal-oxyde-semi- conducteur de puissance unique a une seule grande région de drain formée par le substrat semi-conducteur et une couche épitaxiale placée sur le substrat Un grand nombre de régions de grille, avec une région de source placée à l'intérieur de chaque région de grille, est formé dans la couche épitaxiale semi-conductrice L'électrode de gril- le comporte aussi souvent plusieurs zones individuelles disposées chacune au-dessus du semi-conducteur entre des régions adjacentes de source Chaque zone d'électrode de grille est souvent appelée "ligne commune de grille" La couche de métallisation est au contact de toutes les régions de source et relie ainsi celles-ci Les lignes communes de grille sont aussi reliées de manière que les régions individuelles de source et de grille fonctionnent en pa- rallèle Ainsi, le dispositif peut en fait fonctionner comme un seul transistor du type métal-oxyde-semi-conduc- teur. La couche formant les électrodes de source des dispositifs connus recouvre habituellement la plus grande partie de la surface active principale du dispositif à transistors dans une couche continue La capacité parasite entre grille et source est alors importante si bien que les temps de mise à l'état conducteur et à l'état non con- ducteur et le courant d'excitation nécessaire à la commu- tation du dispositif sont accrus En outre, la couche iso- lante placée entre l'électrode de grille et la couche mé- tallique de source doit assurer un isolement très poussé au-dessus de la grande surface de la couche des électrodes de source Les imperfections telles que des piqûres ou les défauts de formation des caches photographiques pendant l'ouverture des contacts dans la couche d'isolement, peuvent provoquer finalement des courts-circuits entre une grille et une source Ainsi, pendant l'opération de métallisation, un pont métallique peut se former entre la couche de source et la couche de grille placée au-dessous par l'intermédiaire d'un défaut de la couche isolante, si bien que les couches de source et de grille sont en court-circuit. Un autre inconvénient des dispositifs connus à transistors à effet de champ du type métal-oxyde-semi- conducteur de puissance est la "résistance à l'état conduc- teur de ces dispositifs" Cette résistance dans le cas d'un transistor à effet de champ de puissance, est détermi- née en partie par la largeur des lignes communes des grilles individuelles entre les régions de source En général, plus cette résistance est élevée dans un transistor à ef- fet de champ du type métal-oxyde-semi-conducteur et plus la dissipation d'énergie est grande. Les régions de source des transistors de puis- sance sont formées en général sous forme de lignes paral- lèles et relativement étroites, souvent appelées "lignes communes de source" Chacune des lignes communes de source a plusieurs régions étendues permettant la disposition des plages-de contacts de la couche de source Ces plages étendues des dispositifs connus ont souvent la forme d'octo- gones et d'hexagones Comme chaque ligne commune de grille suit le profil des lignes communes adjacentes de source, les régions étendues des lignes communes de source as- surent la réduction de la largeur efficace des lignes com- munes de grille En outre, les régions étendues des dis- positifs connus occupent un espace important qui réduit la densité possible de tassement des lignes communes de source. On a aussi réalisé les dispositifs de manière que les régions étendues adjacentes aux lignes communes de source soient imbriquées et que la réduction de la lar- geur efficace de chaque ligne commune de grille soit mi- nimale La structure imbriquée complique la formation des caches utilisés pour la construction du dispositif et ne se prête ^as à une opération de formation de dessins répétés par commande par ordinateur (reproduction d'un même dessin). L'invention concerne un dispositif à transistor à effet de champ de puissance perfectionné qui a un temps réduit de commutation et dont la commutation nécessite une très faible quantité d'énergie. Elle concerne aussi un tel dispositif à transis- tor à effet de champ de puissance qui nécessite une sur- face réduite sur un circuit paillette, par rapport aux circuits connus, tout en donnant de mêmes valeurs nominales de la résistance et de la tension de claquage. Elle concerne aussi un dispositif à transistor à effet de champ de puissance qui donne un très bon rendement de production et dont la fabrication est plus commode que celle des dispositifs connus. Plus précisément, l'invention concerne un tran- sistor à effet de champ ayant une électrode de grille et une couche de métallisation d'électrode de source ayant plusieurs fenêtres espacées dans cette couche Cette struc- ture réduit la capacité entre la couche d'électrode de source et l'électrode de grille En outre, le danger de formation d'un court-circuit entre la couche d'électrode de source et l'électrode de grille est aussi réduit. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la matière semiconductrice du dispositif a une région de source ayant des zones étendues de forme rectangulaire permettant la disposition des contacts d'électrode de source et plusieurs zones étroites de source destinées à la connexion des zones étendues La forme rectangulaire des zones étendues permet la réduction de la surface de matière semi-conductrice occupée par la sous-région éten- due, si bien que la densité des lignes communes de source peut être accrue sans réduction de la largeur efficace de chaque ligne commune de grille. Dans un mode de réalisation avantageux de l'in- vention, les zones étendues de source forment un arran- gement orthogonal facilitant la constitution d'un cache destiné à être utilisé pendant la fabrication du dispositif à transistor. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe d'un transistor à effet de champ du type métal-oxyde-semi-conducteur de puis- sance de type connu; la figure 2 est une vue en plan d'un dispositif à transistors selon l'invention, les parties cachées étant représentées en traits interrompus; la figure 3 est une vue en plan des parties du dispositif qui sont cachées sur la figure 2, les couches de métallisation et d'isolement étant supprimées; et la figure 4 est une vue en plan d'une variante du dispositif de la figure 2. La figure 1 est une coupe d'un élément formant un seul transistor d'un dispositif à transistors à effet de champ du type métal-oxyde-semiconducteur de puissance de type connu Le dispositif 10 a une couche épitaxiale qui peut être dopée de type n par exemple afin qu'elle forme une région 12 de drain Une région 14 de grille est formée par diffusion dans la région 12 de drain alors qu'une troisième région 16 ou région de source est formée par diffusion dans la région de grille Si la région de drain est dopée de type n-, les régions de grille et de source sont dopées avec des types p et n+ respectivement Un canal 18, formé de chaque côté de la région 16 de source est - disposé de la région 16 de source à la région 12 de drain par l'intermédiaire de la région 14 de grille Une électrode de grille souvent formée de silicium polycristallin de type n, est placée au-dessus du canal 18 du dispositif , et une couche isolante 22 isole l'électrode 20 de grille du canal 18 Le dispositif 10 a une seconde couche isolante 24 qui isole une couche 26 de métallisation par rapport à l'électrode 20 de grille La couche de métallisation forme la couche de source et elle est formée par évaporation d'un métal tel que l'aluminium au-dessus de la surface de la couche isolante 24 Cette dernière peut être composée de silice formée thermiquement, de silice formée par dépôt chimique en phase vapeur, de nitrure de silicium ou d'une autre matière diélectrique La couche 26 d'électrode de source est au contact de la région 16 de source par des ouvertures formées dans la couche isolante 24 (non repré- sentée sur la coupe de la figure 1). Dans les dispositifs connus, la couche 26 de source recouvre en général la plus grande partie de la surface active du dispositif en formant une couche con- tinue Etant donné la grande étendue de la couche 26 de source, une capacité parasite relativement grande existe entre cette couche 26 et l'électrode 20 de grille comme représenté par les condensateurs 28 a et 28 b en traits inter- rompus La grande étendue de la couche 26 de source néces- site en outre une perfection très poussée de l'isolement assuré par la couche 24 au-dessus d'une surface relati- vement grande Les imperfections de la couche isolante 24 telles que des piqûres ou des défauts des caches photo- graphiques, peuvent provoquer la formation d'un pont métal- lique entre la couche 26 de source et l'électrode 20 de grille Ce risque est surtout important dans les régions du dispczi'if 13 qui c 3 mporotant las parois verticales de l'électrode 20 de grille La référence 30 représente un exemple de tel pont métallique reliant la couche 26 à la grille 20 au voisinage des parois 29 de cette électrode de grille. On se réfère maintenant aux figures 2 et 3 qui représentent une partie d'un dispositif 32 à transistors à effet de champ de puissance du type métal-oxyde-semi- conducteur, selon un mode de réalisation avantageux de l'invention La figure 3 représente le dispositif 32 de la figure 2 après enlèvement de la couche 26 de source et de la couche isolante 24 afin que la représentation de la structure placée au-dessous soit facilitée Le dis- positif 32 à transistors a plusieurs lignes communes pa- rallèles 34 de source ayant chacune une région 16 de source- formée par diffusion dans une région 14 de grille (qui est elle-même formée par diffusion dans une région de drain qui n'est pas visible) Plusieurs électrodes 20 de grille sont placées au-dessus de la matière semi-conductrice entre les lignes communes adjacentes 34 de source Chaque élec- trode 20 de grille peut aussi être considérée comme une "ligne commune de grille" Chaque ligne commune de source 34 a plusieurs zones étendues 36 qui sont reliées par des zones étroites 38 placées entre les zones étendues 36. Ces dernières permettent la disposition d'un contact 40 à la région 14 de grille au voisinage de chaque zone éten- due 36 La mise en court-circuit de la région de source et de la région de grille réduit l'action parasite à la manière d'un transistor bipolaire car elle empêche que la région de grille mise en court-circuit joue le rôle d'une région de base. Selon l'invention et comme représenté sur la figure 2, la couche 26 de source du dispositif 32 a plu. sieurs fenêtres ou ouvertures 42 dans lesquelles aucune métallisation n'est placée au-dessus de la couche iso- lante 24 La réalisation des fenêtres 42 permet une réduc- tion correspondante de la capacité parasite entre la couche 26 de source et l'électrode 20 de grille En outre, le risque de formation d'un courtcircuit entre la couche 26 de source et l'électrode 20 de grille, par l'intermé- diaire d'imperfections de la couche isolante 24, est aussi réduit Chaque fenêtre 42 est représentée sous forme cen- trée au-dessus de la partie étroite 38 des lignes communes 34 de source, d'une façon avantageuse car la présence de la couche de source au-dessus des parois verticales 29 de l'électrode 20 de grille est minimale Le risque de formation d'un court-circuit, accru au voisinage des parois verticales 29, est encore réduit. Etant donné l'épaisseur de la couche 26, 20 à 40 % de celle-ci peuvent être retirés pour la formation de fenêtres Plus l'épaisseur de la couche 26 de source est grande et plus les fenêtres 42 peuvent être étendues sans augmentation excessive de la résistance de la couche 26 de source. Bien qu'on ait indiqué que les ouvertures 42 constituaient des fenêtres, ces ouvertures peuvent avoir des formes diverses, dans la couche métallisée 26 Bien que des fenêtres rectangulaires forment un trajet continu pour la circulation du courant dans le métal restant de l'électrode de source, cette caractéristique n'est pas toujours indispensable dans certains dispositifs et le métal retiré de l'électrode peut être sous forme de bandes, de nervures ou d'autres configurations. Comme l'indique clairement la figure 3, la con- figuration de l'électrode 20 de grille correspond de façon générale au profil des lignes communes adjacentes de source 34 La largeur efficace de l'électrode 20 de grille est fonction de la dimension des zones étendues 36 et des zones étroites 38 ainsi que de l'espacement des lignes communes de source 34 comme indiqué par les flèches 44 En outre-, la largeur efficace de grille peut aussi être fonction de la configuration des zones étendues Ces zones étendues 36, dans le mode de réalisation représenté, ont une forme rectangulaire A titre comparatif, les zones étendues des lignes communes de source de nombreux dispositifs connus ont la forme d'octogones ou d'hexagones Ces configurations, bien qu'elles permettent la formation de contacts d'élec- trode de source de dimension analogue, occupent en général une plus grande surface du circuit paillette que les zones rectangulaires étendues 36 de ce mode de réalisation. Ainsi, les zones étendues 36 de forme rectangu- laire permettent l'utilisation d'une plus grande largeur efficace de-grille par unité de surface du circuit pail- lette que dans les dessins connus En conséquence, les lignes communes 34 de source peuvent être rapprochées sans que la largeur efficace des électrodes 20 de grille soit réduite. La puissance consommée par un dispositif à tran- sistors à effet de champ du type métal-oxyde-semi-conducteur de puissance est en général fonction de la résistance du dispositif à l'état conducteur Cette résistance est dé- terminée en partie par la largeur efficace de chaque élec- trode de grille Comme indiqué précédemment, la largeur efficace de grille est fonction de la dimension des zones étendues 36 Dans le mode de réalisation représenté, les zones étendues 36 des régions 16 de source ont chacune une largeur de 12 microns On constate que cette largeur laisse un espace convenable pour la disposition des con- tacts 40 de la couche 26 d'électrode de source, avec une réduction au minimum de la largeur efficace de grille due à la présence des zones étendues 36. Les régions 14 a de grille placées dans les zones étendues 36 ont aussi une dimension réduite par rapport à celles des dessins connus En conséquence, les régions 14 a de grille occupent un plus faible espace dans les zones étendues 36 et une région 16 a de source plus grande peut être formée à la périphérie de la région 14 a de grille. L'injection d'un courant dans la région 14 a de grille est ainsi améliorée Ainsi, le courant total circulant dans le dispositif est accru et la résistance à l'état conduc- teur est réduite, la conductance interne gm étant accrue. Les régions 14 a de grille formées dans les zones étendues 36 de la région 16 de source ont des dimensions d'environ 6 microns x 6 microns dans le mode de réalisation repré- senté. Un autre avantage du mode de réalisation repré- senté est dû à l'espacement des zones étendues 36 le long de chaque ligne commune 34 de source Dans le mode de réa- lisation représenté, l'espacement a été réduit à une distance de 58 microns entre le centre d'une zone étendue 36 et celui de la zone adjacente 36, le long de chaque ligne commune 34 La fréquence par unité de surface des zones étendues 36 est ainsi accrue et la fréquence par unité de surface des contacts 40 de source est aussi accrue si bien que l'action bipolaire parasite du dispositif 32 est encore réduite. En outre, la fréquence élevée des zones étendues 36 augmente la périphérie totale de la région 16 de source et améliore ainsi la conductance interne gm Cette augmenta- tion de la conductance interne est importante dans le cas des dispositifs à transistors à effet de champ du type métal-oxyde-semi-conducteur de puissance; surtout dans ceux qui ont une faible tension de claquage (inférieure) à 200 V par exemple) dans lesquels la résistance à l'état conducteur est notablement affectée par la résistance des canaux Ainsi, l'amélioration de la conductance interne peut aussi améliorer notablement la résistance du dispo- sitif à l'état conducteur. Dans le dispositif 32 représenté sur la figure 2, les zones étendues 36 des lignes communes adjacentes 34 de source sont imbriquées afin que le rétrécissement de largeur de l'électrode 20 de grille soit minimal Ce- pendant, on constate que cette structure imbriquée n'est pas obligatoire dans le cas des dispositifs à transistors à effet de champ de puissance ayant une tension de claquage relativement élevée, par exemple dépassant 200 V La figure 4 représente une variante du dispositif de la figure 2. Ce dispositif a plusieurs lignes communes de source 34 a ayant des zones étendues 36 a placées orthogonalement plu- tôt que sous forme imbriquée dans le dispositif des figures 2 et 3. L'arrangement orthogonal des zones étendues 36 a du dispositif de la figure 4 facilite la simplification de la construction du dispositif Le dessin formé par les régions de source et de grille du dispositif est en général formé à l'aide d'un cache placé sur le dispositif Les caches utilisés dans les diverses opérations sont souvent formés par des procédures automatiques mettant en oeuvre un ordinateur L'arrangement orthogonal de la figure 4 facilite l'utilisation d'opérations de formation de caches par des opérations progressives et répétitives En outre, comme les zones étendues 36 a ne sont pas imbriquées mais placées perpendiculairement, les fenêtres 42 a du dispo- sitif peuvent être aussi disposées orthogonalement si bien que les opérations de fabrication sont encore simplifiées et l'automatisation est facilitée Un avantage supplémen- taire de l'arrangement orthogonal de la figure 4 est que l'espacement des contacts de source sur les zones étendues 36 a est réduit par rapport à un dessin imbriqué En consé- quence, la conduction du courant par la couche de source est améliorée. La description qui précède montre que les dis- positifs à transistors selon l'invention ont d'excellentes caractéristiques et nécessitent une surface de paillette semi-conductrice inférieure à celle des dessins connus ayant des propriétés nominales équivalentes de résistance, de conductance interne et de tension de claquage L'amé- lioration des caractéristiques porte sur la réduction du temps de commutation et la réduction de l'énergie néces- saire à la mise du dispositif à l'état conducteur étant donné la réduction de la capacité entre les diverses cou- ches Les fenêtres ou ouvertures ne comportant pas de mé- tallisation dans la couche de source améliorent encore le rendement de production des dispositifs fabriqués par réduction des risques de formation d'un courtcircuit entre les couches Une augmentation du rendement de production réduit les coûts de fabrication des dispositifs. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Transistor à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend: une matière semi-conductrice ayant des régions de drain, de grille et de source ( 12, 14, 16) délimitant un canal ( 18) allant de la région de source ( 16) à la ré- gion de drain ( 12) par l'intermédiaire de la région de grille ( 14), une première couche isolante ( 22) placée sur la matière semi-conductrice, une couche de grille ( 20) placée sur la pre- mière isolante au-dessus du canal, une seconde couche isolante ( 24) placée sur la couche de grille, et une couche de métallisation ( 26) placée sur la seconde couche isolante au-dessus de l'électrode de grille et formant une électrode de source ayant un contact passant à travers les couches isolantes jusqu'à la région de source, la couche de métallisation ( 26) ayant plusieurs ouvertures distantes ( 42) formées au-dessus de l'électrode de grille de manière que la capacité entre les couches et le risque de court-circuit entre la couche de métallisa- tion et l'électrode de grille soient réduits. 2 Transistor selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'électrode de grille a des parois verti- cales ( 29), les ouvertures ( 42) ayant la forme de fenêtres et étant placées au-dessus des parois verticales des élec- trodes de grille, si bien que le risque de formation de court-circuit entre l'électrode de grille et la couche de métallisation est réduit. 3 Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fenêtres occupent entre environ 20 et 40 % de la surface d'électrode de source. 4 Transistor à effet de champ du type qui com- prend une électrode de grille ( 20) et une couche de métal- lisation ( 26) formant une électrode de source, ledit tran- sistor étant caractérisé en ce que la couche de métallisa- tion ( 26) a plusieurs fenêtres espacées ( 42) ne compre- nant pas de métallisation, si bien que la capacité entre la couche de métallisation et l'électrode de grille et le risque de formation d'un court-circuit entre la couche de métallisation et l'électrode de grille sont réduits. Transistor à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend: une matière semi-conductrice ayant une région de drain ( 12), plusieurs régions de grille ( 14) formées par diffusion dans la région de drain ( 12) et une région de source ( 16) formée par diffusion dans chaque région de grille, chaque région de source ayant plusieurs zones étendues disposées orthogonalement ( 16 a) destinées au lo- gement de contacts de source et plusieurs zones étroites reliant les zones étendues, une couche d'électrode de grille ( 24) disposée au-dessus de la matière semi-conductrice tout en étant isolée par rapport à celle- ci, et une couche de métallisation d'électrode de source ( 26) disposée sur la couche d'électrode de grille en étant isolée par rapport à celle- ci et formant des contacts avec les zones étendues de source, la couche d'électrode de source ayant plusieurs fenêtres lement et ne comprenant pas de métallisation entre des contacts adjacents, si bien que la probabilité de formation de court-circuit entre les couches d'électrodes de source et de grille et la capacité entre les couches sont toutes deux réduites, et la disposition orthogonale des sous- régions étendues et des fenêtres ( 42) facilite l'utilisation d'un procédé - progressif et répétitif de fabrication du transistor.