Brevet FR2570222A1 — publié le 19860314

Inverseur logique I2L amélioré et procédé pour le fabriquer La présente invention concerne une porte I2L (inverseur logi- que) améliorée et un procédé pour sa fabrication. Comme on le sait, une porte I2L comporte essentiellement un transistor à plusieurs collecteurs et un autre transistor la- téral utilisé comme source de courant, intégrés dans une structure à grande intégration. Une telle porte est représen- tée sur les figures 1 et 2, o l'on voit respectivement les symboles électriques et une coupe transversale à travers une puce de silicium dans laquelle est formée cette porte. Notam- ment sur la figure 1, on voit le transistor latéral pnp repéré 1, qui fonctionne comme source de courant, et le transistor npn à plusieurs collecteurs, repéré 2. Sur cette figure, le repère 3 indique la borne de l'injecteur, le repère 4 indique la borne de la base et le repère 5 indique la borne du collec- teur du transistor 1, tandis que les repères 7, 8 et 9 indi- quent respectivement la base, l'émetteur et les collecteurs du transistor 2. Comme on peut le voir, la base 4 du transistor 1 est reliée à l'émetteur 8 du transistor 2, tandis que le collecteur 5 du transistor 1 est relié à la base du transistor 2. En outre, la borne d'entrée 6 est reliée au collecteur 5 et à la base 7, -2- tandis que les collecteurs 9 constituent les sorties du sys- tème. La figure 2 est une coupe transversale à travers une structure caractéristique connue. Cette structure comprend une multipli- cité de couches superposées, à savoir le substrat 10 du type p, la couche enterrée 11 du type n+, la couche épitaxiale 12 du type n formant en même temps la base 4 du transistor 1 et l'émetteur 8 du transistor 2, et qui est isolée latérale- ment par une couche verticale (puits dit "sinker") 13 du type + n s'étendant de la face supérieure du dispositif vers le bas jusqu'à la couche isolante 11. A l'intérieur de la couche 12, on forme, selon des techniques connues de diffusion plane, la région 14 du type p formant la base du transistor 2 et en même temps le collecteur 5 du transistor 1, et la région 15 du type p formant l'émetteur du transistor 1 constituant l'injec- teur. Finalement, on forme dans la couche 14 les régions 16 du type n+ formant les collecteurs du transistor 2. La structu- re est complétée par les contacts respectifs 17, 18 et 19 pour l'injecteur, la sortie du dispositif et l'entrée du dispositif. Cette structure, actuellement largement utilisée du fait qu'elle n'exige qu'une surface relativement petite et qu'elle permet en conséquence un degré élevé d'intégration, n'est ce- pendant pas dépourvue d'inconvénients. En fait, bien que pour de faibles valeurs de courant, tous les collecteurs dans le même dispositif présentent le même comportement, pour des va- leurs de courant élévées, on ressent l'effet de la résistance répartie sur la base et due pratiquement à la résistivité re- lativement élevée de la couche de base elle-même dans les ré- gions se trouvant en-dessous des diffusions n+ 16. En fait, le courant de base qui circule le long de la résis- tance provoque une diminution de la tension le long de la base, et de ce fait, le collecteur placé le plus loin de l'in- jecteur est moins entraîné que celui qui est le plus proche de l'injecteur. En conséquence, le comportement de chaque collec- -3 - teur est différent et cette différence de comportement est d'autant plus ressentie que le nombre de collecteurs est plus grand. En conséqence, le nombre maximal de collecteurs pouvant être obtenu dans un dispositif (ce qu'il est convenu d'appeler le facteur de sortance (fan out) est limité à environ 3 à 4. Un autre invonvénient du dispositif antérieur est que la posi- tion relative ee chaque collecteur 16 par rapport au contact de base 19 et à l'injecteur 17 affecte les temps de commuta- tion des collecteurs individuels. En conséquence, le collec- teur se trouvant le plus loin de l'injecteur 17 est le plus lent lors de l'amorçage, tandis que le collecteur le plus éloigné du contact d'entrée de la base 19 est le plus lent lors de la coupure. Etant donné cette situation, le but de l'invention consiste à procurer un dispositif électronique de porte I2L, qui, tout en conservant les caractéristiques favorables de la technique I2L, élimine les inconvénients de cette dernière, et notamment a un comportement uniforme en commutation et permet de dispo- ser pratiquement tout nombre souhaité de collecteurs de sor- tie. Ceci étant, un but particulier de l'invention consiste à pro- curer un dispositif du type condidéré qui puisse être aisément fabriqué à coût réduit par rapport aux dispositifs connus. Un autre but de cette invention consiste à procurer un dispo- sitif extrêmement fiable ayant des caractéristiques électri- ques améliorées. L'invention vise également à procurer un procédé de fabrica- tion de ce dispositif tel qu'il puisse satisfaire les exigen- ces énumérées ci-dessus. Les buts énumérés ci-dessus et d'autres qui apparaîtront ci- après sont atteints grâce à un inverseur logique 12L amélioré, 4 2570222 comprenant un premier transistor inversé à plusieurs collec- teurs et un deux:ième transistor fonctionnant comme générateur de courant, ces transistors comprenant une multiplicité de couches superposées de deux polarités pratiquement opposées, formant les régions d'émetteur, de base et de collecteurs du premier transistor et les régions d'injecteur, de base et de collecteur du deuxième transistor, ces régions étant raccor- dées, au niveau d'une face extérieure du dispositif, à des contacts d'entrée, de sorties et d'injecteur, caractérisé en ce que la région d'injecteur du deuxième transistor comporte au moins un canal enterré s'étendant symétriquement par rap- port aux régions de collecteurs du premier transistor. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée, donnée ci-après à titre d'exemple seulement, d'une réalisation préférée, en liaison avec le dessin joint, sur le- quel: la figure 1 montre le schéma de câblage d'une porte I2L; la figure 2 est une coupe transversale à travers une puce de silicium comprenant une porte I2L selon la technologie tradi- tionnelle; la figure 3 est une coupe transversale à travers une puce de silicium comprenant la porte I2L de cette invention; et la figure 4 est une vue de dessus de la région dans laquelle est formée la porte I2L de cette invention, les lignes en ti- rets et en traits mixtes de divers types indiquant les diver- ses régions et limites de ces régions pour situer leurs posi- tions mutuelles. Seules les figures 3 et 4 seront décrites ci-après, car les figures 1 et 2 ont déjà été décrites en détail précédémment. En se reportant aux figures 3 et 4, le dispositif électronique -5 - I2L selon l'invention comporte pratiquement un substrat 20 du type p, la couche enterrée 21 de la polarité n+ et la couche épitaxiale 23, dans laquelle sont formées les régions définis- sant les transistors 1 et 2. En particulier, et d'une manière connue, il est formé dans la couche épitaxiale 23 la région 24 dans laquelle ont été implantés quelques ions phosphore pour accroître la charge de l'émetteur du transistor 2. Il est également formé à l'intérieur de la région 24 la région ou couche p 25 qui forme en même temps la base du transistor 2 et le collecteur du transistor 1. Enfin, il est formé dans la couche 25 les régions n+ 26 qui constituent les collecteurs du transistor 2. Selon une caractéristique de l'invention, la région de l'in- jecteur est ici formée par une structure représentée en hachu- res sur la figure 4 et compose de trois canaux 22a, 22b, 22c s'étendant parallèlement à la couche épitaxiale 23 et partiel- lement dans la couche enterrée. Ces canaux 22a, 22b et 22c sont réunis ensemble à leurs extrémités, ce qui forme les ca- naux 22e et 22f s'étendant en travers des premiers. Comme on peut voit sur les figures, le canal médian 22b en particulier s'étend de façon symétrique par rapport aux régions de collec- teurs, qui, selon l'invention, sont disposées alignées en deux rangées parallèles l'une à l'autre et au canal médian 22b. Les deux canaux extérieurs 22a et 22c s'étendent sur le côté des rangées des régions de collecteurs 26 de telle sorte que les régions de collecteurs 26 soient directement en vis-à-vis de la couche d'émetteur 24 de façon à permettre un fonctionnement optimal du dispositif. Le canal transversal 22f se raccorde en outre à un canal vertical 22d représenté sur la figure 4, qui s'élève pour atteindre la face supérieure 34 de la puce de si- licium formant le dispositif électronique selon l'invention. Le dispositif est complété par les contacts de collecteurs 27 (c'est-àdire les sorties du dispositif), le contact de base 28 (formant la borne d'entrée du dispositif), et le contact d'injecteur 31 (seulement représenté sur la figure 4). - 6 - Comme on peut donc le voir, la région de l'injecteur a été formée ici au moyen d'une structure enterrée formée de canaux qui s'étendent sur une distance fixe et égale depuis toutes les régions de collecteurs 26, de façon à éliminer les diffé- rences de comportement des collecteurs individuels lors du fonctionnement du dispositif. En outre, la disposition en ran- gée côte à côte des régions d'injecteur enterré et de collec- teur permet au contact de base 28 d'être disposé au centre en- tre les rangées elles-mêmes, ce qui permet d'obtenir une ré- - partition symétrique des collecteurs également par rapport au contact de base et d'éliminer les retards dans la coupure du dispositif. La structure d'injecteur enterré est réalisée par la technique de double isolation ("isolation du dessus et du dessous"). En particulier, le procédé de fabrication consiste à effectuer un dépôt préalable d'antimoine sur toute la région sur laquelle on doit obtenir la porte I2L, à effectuer sur ce dépôt préala- ble d'antimoine une forte implantation de bore dans la région o doit être formée la structure de la couche d'injecteur, cette structure devant avoir la forme représentée par la zone hachurée vue de dessus sur la figure 4. Ensuite, on laisse croître la couche épitaxiale de silicium légèrement dopée. Lors d'un chauffage subséquent à haute température, l'antimoi- ne et le bore de la structure de l'injecteur diffusent tous deux dans la couche épitaxiale de façon à obtenir les couches 21, 22 représentées en coupe transversale sur la figure 3. Bien entendu, du fait des caractéristiques de diffusion diffé- rentes du bore et de l'antimoine, le bore croît davantage jus- qu'à environ la mi-hauteur de la couche épitaxiale. On effec- tue ensuite l'implantation des ions phosphore pour obtenir la couche 24 dans le but d'augmenter la charge d'émetteur du transistor 2. Ensuite, on effectue le dépôt et la diffusion du bore pour obtenir l'isolation du dessus (non représentée sur la figure) et pour obtenir le canal vertical 22d se raccordant au contact d'injecteur, et on effectue finalement le dépôt et - 7 - la diffusion du bore ainsi que le dépôt et la diffusion du phosphore pour former la couche 25 et les régions de collec- teurs 26. Ensuite, on effectue toutes les phases conventionel- les pour terminer le dispositif. Comme on le notera dans la description précédente, l'invention atteint ses buts. En fait, on obtient un dispositif de porte I2L qui, grâce à la disposition mutuelle des canaux d'injec- teur, des régions de collecteurs et du contact de base, assure un fonctionnement uniforme de tous les collecteurs lors des phases d'amorçage et de coupure du dispositif. En fait, le contact de base est maintenant à égale distance de toutes les régions de collecteurs, et d'autre part, la résistance répar- tie le long des canaux d'injecteur 22 est très inférieure à la résistance de la couche de base, ce qui fait que les collec- teurs 26 les plus éloignés du contact d'injecteur se compor- tent pratiquement comme les collecteurs les plus proches. En fait, bien que la couche de base ait précédemment une ré- sistance de l'ordre de 4-5 kOhm/Ci, du fait des caractéris- tiques électriques de cette couche et du rétrécissement, on constate le long des canaux d'injecteur enterré, une résistan- ce de 100 OhmA= sur les trois canaux. Ceci permet donc de disposer tout nombre désiré de régions de collecteurs (habi- tuellement pas plus de 10), tandis qu'autrement le facteur de sortance serait limité. Il en résulte également pour le dispo- sitif un meilleur comportement moyen que les dispositifs con- nus, car, dans le passé, lors de la conception du dispositif, on devait prendre en compte la moins bonne performance due au collecteur le moins favorisé, tandis que maintenant, les per- formances des différents collecteurs sont sensiblement les mê- mes et sont l'égale du meilleur comportement. Le dispositif selon l'invention permet d'améliorer les carac- téristiques électriques par rapport au dispositif connu. En fait, la disposition représentée des couches d'émetteur selon la technique de la double isolation permet une réduction dans -8- le courant de recombinaison au niveau de la base des régions situées au-dessus des canaux 22b, du fait du rétrécissement de la couche d'émetteur 24 au dessus de ces canaux. On obtient ainsi un gain effectif plus élevé ainsi qu'une fréquence de commutation plus élevée qu'avec les dispositifs connus. L'invention décrite est susceptible de nombreuses modifica- tions et changements sans s'écarter du domaine du concept in- ventif. En outre tous les détails techniques peuvent être rem- -placés par d'autres techniquement équivalents. - 9 - Revendications. 1. Dispositif inverseur logique I2L amélioré comprenant un premier transistor (2) inversé à plusieurs collecteurs, et un deuxième transistor (1) fonctionnant comme source de courant, ces transistors étant constitués par plusieurs couches super- posées de deux polarités pratiquement opposées, formant les régions d'émetteur (8), de base (7) et de collecteurs (9) du premier transistor (2) et les régions d'injecteur (3), de base (4), et de collecteur (5) du deuxième transistor (1), ces ré- gions étant reliées, au niveau d'une face extérieure (34) du dispositif, à des contacts d'entrée (28), de sorties (27) et d'injecteur (31), caractérisé en ce que la région d'injecteur du deuxième transistor comporte au moins un canal enterré (22) s'étendant de façon symétrique par rapport aux régions de col- lecteurs (26) du premier transistor (2). 2. Dispositif logique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal d'injecteur a une portion terminale sortant au niveau de la face extérieure (34) du dispositif pour se raccorder au contact d'injecteur (31). 3. Dispositif logique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les régions de collecteurs (26) sont disposées à distance en deux rangées pratiquement parallèles, et en ce que le contact d'entrée (28) s'étend sur la face extérieure (34) du dispositif au moins partiellement sur une portion de la région de base (25) du premier transistor (2) délimitée par les deux rangées parallèles de régions de collecteurs (26). 4. Dispositif logique selon l'une ou plusieurs des réalisa- tions précédentes, caractérisé en ce que la région d'injecteur du deuxième transistor (1) comporte trois canaux enterrés (22a, b, c) s'étendant à distance l'un de l'autre à l'exté- rieur des rangées de régions de collecteurs (26) du premier transistor et entre celles-ci, et se réunissant dans une di- rection transversale à ces rangées à l'extérieur de celles-ci, - 10 - cette portion terminale se trouvant en vis à vis de cette face du dispositif. 5. Dispositif logique selon une ou plusieurs des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'il a une structure multicouche définissant au moins une face extérieure principa- le (34), cette structure comprenant au moins un substrat (20) d'un premier type de polarité; une couche enterrée (21) d'un deuxième type de polarité, adjacente au substrat; une couche épitaxiale (23) pratiquement du deuxième type de polarité, ad- jacente à la couche enterrée et pourvue d'une portion se ter- minant au niveau de la face extérieure; une structure de ca- naux pratiquement du premier type de polarité comportant des canaux enterrés (22a, b, c) pratiquement parallèles et se réu- nissant ensemble à leurs extrémités et s'rétendant au moins partiellement à travers la couche épitaxiale et la couche en- terrée; cette structure de canaux ayant une portion de rac- cordement (22d) s'étendant dans une direction transversale aux couches et se terminant au niveau de la face extérieure, une autre couche (25) de pratiquement le premier type de polarité adjacente à la couche épitaxiale et comportant des portions en vis-à-vis de cette face extérieure du dispositif, ainsi qu'une multiplicité de zones pratiquement du deuxième type de polari- té alignées en deux rangées parallèles l'une à l'autre, entou- rées par cette dernière couche (25) et se terminant sur la fa- ce extérieure (34). 6. Dispositif logique selon une ou plusieurs des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que les canaux enterrés sont disposés, en section transversale parallèlement aux ran- gées parallèles formées par cette multiplicité de zones, et décalés par rapport à ces rangées. 7. Dispositif logique selon une ou plusieurs des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la couche enterrée et la structure de canaux sont formées par la technique d'isola- tion du haut et du bas. - 11 - 8. Procédé pour obtenir un dispositif inverseur logique I2L amélioré, caractérisé en ce que: on dépose au préalable une mince couche atomique d'un premier élément chimique sur un substrat d'un premier type de polari- té, ce premier élément chimique étant adapté pour former une couche d'un deuxième type de polarité opposé au premier; on implante sur cette couche préalablement déposée des atomes d'un deuxième élément chimique formant des canaux parallèles raccordés par des canaux transversaux à leurs extrémités, ce deuxième élément chimique étant adapté pour former une couche pratiquement du premier type de polarité; on fait grandir une couche épitaxiale de pratiquement le deu- xième type de polarité à température élevée avec diffusion ré- sultante des atomes du premier et du deuxième élément chimi- que; on dépose ou on implante sélectivement un autre élément chimi- que sur cette couche épitaxiale sur au moins l'un des canaux transversaux dans la structure pour obtenir un canal de liai- son ayant pratiquement le premier type de polarité; on réalise des diffusions d'isolation des types convention- nels; on diffuse dans un plan d'autres couches conventionnelles pour compléter le dispositif électronique.