Brevet FR2606214A1 — publié le 19880506

Cette invention concerne un transistor bipolaire du type à jonction hétérogène, ou hétérojonction. Le transistor bipolaire du type hétérojonction peut surmonter les défauts propres aux transistors bipolaires du type à jonction homogène faits de silicium. Pour expliquer plus spécialement les avantages obtenus de l'utilisation, indiquée à titre d'exemple, d'un transistor du type hétérojonction employant AlGaAs pour son émetteur (E) et GaAs pour sa base (B) et son collecteur (C), on peut dire que les trous ou les porteurs majoritaires contenus dans la base ne peuvent pdS diffuser dans l'émetteur du fait qu'une barrière d'énergie produite par la différence de bande interdite d'énergie (LEg) entre E et B, si bien que le courant de base diminue et que le rendement d'injec- tion des électrons de l'émetteur à la base augmente. Il est donc possible d'augmenter le facteur d'amplification (p=IC/IB) même si la concentration de la base est fixée à une valeur éLevée et la concentration de l'émetteur à une valeur basse. Ceci signifie que la résistance de base et la capacité de jonction entre E t B, ceux- ci étant liés à la vitesse de fonctionnement du dispositif, peuvent être diminuées. Il est théoriquement et expérimentalement admis que le transistor bipolaire à hétérojonction peut fonctionner à une plus grande vitesse que le transistor bipolaire de silicium. La figure 1 montre une structure typique d'un transistor bipolaire à hétérojonction du type planar fait de AlGaAs/GaAs fabriqué à l'aide de techniques d'implantation ionique et d'enter- rement de métal. Un exemple d'un procédé de fabrication du tran- sistor 13 possédant cette structure va brièvement être expliqué ci-après. Comme le montre la figure 1, sur un substrat 1 de GaAs semi-isolant, on fait déposer, par un processus épitaxial, succes- + sivement une couche de GaAs de type n, qui fait fonction de couche 2 conduisant à l'électrode de collecteur, une couche de GaAs de type n qui fait fonction de région de collecteur 3, une couche de GaAs de type p qui fait fonction de région de base (région de base intrinsèque) 4, une couche de ALGaAs de type N, qui fait fonction de région d'émetteur 5, et des couches de GaAs de + type n et GaAs de type n, qui font fonction de couche de couverture 6. Ensuite, on retire la couche de couverture 6 de GaAs + n par incision de manière à laisser la région d'émetteur 5. O5 Ensuite, on implante Mg en utilisant une couche de SiO2 comme masque, puis on forme par recuit une couche de base externe 7. En outre, on forme respectivement une région d'isolation d'élément 8 et une région d'isolation base-collecteur 9 en implantant du bore ou des ions H. Enfin, on enlève une partie d'une couche de SiO2 10 correspondant à une région de formation d'électrode de collecteur afin de former une ouverture, ou une fenêtre, on forme une tranchée (partie en rainure) 11, et on enterre un métal 12 dans la tranchée 11, pour ainsi fabriquer le transistor 13. Sur le dessin, le numéro de référence 14 désigne une électrode de base, 15 une électrode d'émetteur, et 16 une électrode de collecteur, respectivement. Il a également été proposé un transistor bipolaire à hétérojonction 17 du type dit à collecteur sur le dessus, qui com- porte sa région de collecteur sur sa surface supérieure, comme représenté sur la figure 2. Le procédé de fabrication du transistor bipolaire à hétérojonction du type à collecteur sur le dessus est presque le même que celui du transistor bipolaire à hétérojonction 13 du type à émetteur sur le dessus, tel que représenté sur la figure 1, la seule différence concernant l'ordre dans la croissance épitaxiale. Sur la figure 2, les parties qui correspondent à des parties de la figure 1 sont désignées par les mêmes numéros de référence. Le numéro de référence 18 désigne une couche de GaAs n, qui fait fonction de couche conduisant à l'électrode d'émetteur, et + 19 une couche de GaAs n, qui fait fonction de couche de couverture de collecteur. Le temps de commutation Ts d'un transistor bipolaire à hétérojonction est donné par l'équation suivante: TS = 5 Rb Cc/2 + Rb.Tb/RL + (3Cc + CL) RL o Rb est la résistance de base, Cc la capacité de jonction entre la base et Le collecteur, RL La résistance de charge, CL la capa- cité de charge, et Tb Le temps de passage dans la base. A partir de l'équation ci-dessus, on comprendra qu'il est nécessaire de diminuer Rb et Cc pour diminuer Tb. Il est générale- ment admis que le transistor bipolaire à hétérojonction du type à collecteur sur le dessus peut avantageusement diminuer Cc en compa- raison du transistor bipolaire à hétérojonction du type à émetteur sur le dessus, de sorte que le type à collecteur sur le dessus peut fonctionner à une vitesse plus élevée que le type à émetteur sur le dessus. On va expliquer cela ci-après en détail. (i) Dans le transistor bipolaire à hétérojonction du type à collecteur sur le dessus, l'aire du collecteur est étroite, si bien que la capacité de jonction entre le collecteur et la base est diminuée, ce qui est avantageux du point de vue d'un fonctionnement à une vitesse plus élevée. D'autre part, l'aire de l'émetteur est large, si bien que la capacité de jonction entre l'émetteur et la base est augmentée. Ceci est un inconvénient. Toutefois, la jonc- tion entre l'émetteur de la base est une hétérojonction, qui est plus petite que pour la jonction homogène, ou homojonction. De plus, puisque la concentration dans l'émetteur est faible, on peut intrinsèquement rendre petite la capacité de jonction d'émetteur, de sorte qu'il ne se produira pas de graves problèmes. Les avan- tages résultant de la diminution de la capacité de collecteur sont de loin plus grands que l'inconvénient dû à l'augmentation de la capacité de jonction entre l'émetteur et la base. Les transistors bipolaires à hétérojonction antérieurement proposés montrent que le type à collecteur sur le dessus fonctionnent à une plus grande vitesse que le type à émetteur sur le dessus. (ii) En ce qui concerne la configuration du circuit, on forme les portes en logique à couplage d'émetteur (ECL) en connec- tant les émetteurs de plusieurs transistors en commun de façon que la dimension des éléments puisse être diminuée du fait que la +couche d'émetteur nest commune sans isolation. couche d'émetteur n est commune sans isolation. Toutefois, le transistor bipolaire à hétérojonction du type à collecteur sur le dessus tel que représenté sur La figure 2 possède les défauts suivants: (i) Lorsque l'élément a été rendu petit, Le facteur d'amplification de courant est diminué par un effet dit de péri- phérie qui se produit de sorte que les électrons implantés de la région d'émetteur 5 vers la région de base (région de base intrinsèque) 4 et existant dans la périphérie sont diffusés par la longueur de diffusion (plusieurs microns) jusqu'à la région de base externe 7 et se combinent avec des trous en rendant ainsi le courant ineffectif. (ii) La région de base externe 7 est formée par implanta- tion d'ions de Mg dans la région de collecteur faite de la couche de GaAs n 3 et par recuit. Puisque la couche de GaAs n de la région de collecteur 3 possède une concentration faible de l'ordre de 1016 cm-3, l'implantation des ions de Mg à concentration élevée et le recuit induisent une diffusion dans la direction horizontale, si bien que la dimension du collecteur devient instable ou que la région de collecteur peut disparaître dans le plus mauvais cas. Par conséquent, il faut donner à la dimension du collecteur une valeur relativement importante sur la base de règles de traitement et, par conséquent, on ne peut pas fabriquer le collecteur à une dimension petite (approximativement 1 pm) dans des conditions de stabilité satisfaisantes. La capacité de jonction entre le collecteur et la base ne peut pas non plus être complètement éliminée. (iii) On forme également la jonction à bande interdite large entre l'émetteur externe et la base externe en implantant des ions de Mg et en effectuant un recuit. Si la diffusion dans la direction verticale est importante, il peut se produire que les ions implantés pénètrent dans la région d'émetteur 5 de AlGaAs N. Pour éviter la pénétration, il faut que la région d'émetteur 5 de la couche de AlGaAs N à faible concentration soit fabriquée épaisse, ce qui amène une augmentation de la résistance de l'émet- teur et une vitesse de fonctionnement plus basse. Eu égard aux problèmes ci-dessus mentionnés, un but de l'invention est de fournir un transistor bipolaire du type à hétérojonction qui possède un facteur d'amplification de courant élevé du fait de l'élimination de l'effet de périphérie. Pour atteindre le but ci-dessus énoncé, l'invention pro- pose un transistor bipolaire du type à hétérojonction dans lequel une région d'émetteur, une région de base et une région de collec- teur sont formées sur un substrat de semiconducteur composé, caractérisé en ce que l'on insère une hétérojonction à la frontière entre la région de base intrinsèque formée sur la région de base et une région de base externe. La description suivante, conçue à titre d'illustration de L'invention, s'appuie sur les dessins annexes, tout au long desquels des mêmes numéros de référence désignent des éléments et parties identiques, et parmi lesquels: la figure 1 est une vue en section droite montrant un transistor bipolaire du type à hétérojonction à émetteur sur le dessus classique; la figure 2 est une vue en section droite montrant un transistor bijonction du type à hétérojonction à collecteur sur le dessus classique; les figures 3A à 3E sont des diagrammes montrant les processus de fabrication d'un mode de réalisation selon l'inven- tion; et la figure 4 est une vue en section droite montrant un autre mode de réalisation de l'invention. Un mode de réalisation d'un transistor bipolaire à hétérojonction du type à collecteur sur le dessus selon l'invention va ci-après être décrit en relation avec les figures 3A à 3E, en même temps que son procédé de fabrication. On se reporte d'abord à la figure 3A. Sur un substrat de GaAs semiisolant 31, on fait successivement croître, par le procédé MOCVD (dépôt chimique organique de métal sous forme + vapeur), une couche de GaAs n ayant une épaisseur de 0,5 pm et une concentration en impuret d'environ 3 x 1018 cm-3, qui fait fonc- concentration en impureté d'environ 3 x 10 cm, qui fait fonc- tion de couche conduisant à l'électrode d'émetteur 32, une couche de ALo 3Gao,7As N ayant une épaisseur de 0,2 pm et une concentra- tion en impureté d'environ 5 x 1017 cm-3, qui fait fonction de région d'émetteur 33, une couche de AIo, 3GaO,7As P ayant une épaisseur de 0,1 pm et une concentration en impureté d'environ x 1018 cm3, qui fait fonction de couche de blocage 34 (formant une partie d'une région de base externe 36), et une couche de + GaAs p 35 ayant une épaisseur de 0,5 pm et une concentration en 19 -3 impureté d'environ I x 1019 cm 3, qui forme une partie de la région de base externe 36. Ensuite, on fait déposer sur la couche de GaAs p 35 une couche de Si3N4 37 par un procédé de pulvérisation ou un procédé CVD (dépôt chimique sous forme vapeur). Ensuite, on retire une partie de la couche de Si3N4 37 correspondant à une région de collecteur devant être formée ultérieurement, par des techniques photolithographiques, afin de former une ouverture. On + retire sélectivement la couche 35 de GaAs p par une incision uti- lisant la couche de Si3N4 37 comme masque pour former un évide- ment 38. Ensuite, comme représenté sur la figure 3B, on forme une paroi latérale 39 de Si3N4 sur les faces latérales de la couche de GaAs p 35 dans l'évidement 38. On forme la paroi latérale 39 en commençant par faire déposer une couche de Si3N4 sur toute la sur- face, y compris l'évidement 38, puis on effectue une incision anisotropique, par exemple une incision RIE (incision ionique réactive). On retire sélectivement la couche 34 de AlGaAs p se trouvant sur le fond de l'évidement 38, par exemple en procédant à une incision par voie humide utilisant la paroi latérale 39 comme masque. Ensuite, comme représenté sur la figure 3C, on fait croître dans l'évidement 38, par le procédé MOCVD sélectif, une région de base intrinsèque 40 faite de GaAs p possédant une épaisseur de 0,1 pm et une concentration en impureté de x 1018 cm 3, une région de collecteur 41 fait de GaAs n possédant une épaisseur de 0,6 pm et une concentration en impureté de 5 x 1016 cm3, et une couche de couverture 42 fait de GaAs n possédant une épaisseur de 0,1 pm et une concentration en impureté 18 -3 de 5 x 1018 cm. Au cours de cette croissance épitaxiale, GaAs ne croit jamais sur la couche de Si3N4 37. Apres cela, on implante des ions B ou H afin de former une région d'isolation émetteur- base 43 et une région d'isolation d'élément 44 au moyen de l'isolation. Ensuite, on retire une partie de la couche de Si3N4 37 correspondant à une région de formation d'électrode d'émetteur afin de former une ouverture pour ainsi former une tranchée (partie en rainure), puis on enterre un métal, par exemple Au/Ge, dans la tranchée afin de former une électrode d'émetteur 45 (on se reportera aux figures 3D et 3E). On retire une autre partie de la couche de Si3N4 37 correspondant à la région de formation d'élec- trode de base afin de former une ouverture, puis on fabrique une électrode de base 46 en Ti/Pt/Au (non-alliage). De plus, sur la couche de couverture, on forme une électrode de collecteur 47 faite de Au/Ge/Ni (alliage) pour finalement produire un transistor bipolaire à hétérojonction du type à collecteur sur le dessus 48 tel que représenté sur la figure 3E. Le transistor bipolaire à hétérojonction du type à collecteur sur le dessus ayant la structure ci-dessus décrite possède les avantages suivants. Puisque l'on ne fait pas appel à une implantation ionique et un recuit pour former la région de base externe 36 et la jonction AlGaAs de type P/AlGaAs de type N (la jonction entre la couche de blocage 34 de AlGaAs de type p et la région d'émetteur 33 de AlGaAs de type N), la structure et les caractéristiques du dispositif ne feront pas l'objet de variations, et on pourra obtenir une bonne reproductibilité. En particulier, les dimensions du collecteur coïncideront avec la valeur prévue. La région de collecteur 41 possède une taille qui est déterminée par des règles de lithographie. Il est également possible de rendre la région de collecteur 41 plus petite que la taille déterminée par la règle de lithographie. La région de collecteur 41 et la couche de GaAs de type p 35 qui fait fonction de région de base externe sont isolées l'une 8 2 6 06606214 de L'autre par la couche isolante, à savoir la paroi latérale 7 de Si3N4 qui possède une constante diélectrique plus petite que celle de GaAs, si bien que la capacité de jonction externe entre le collecteur et la base devient suffisamment petite pour pouvoir être ignorée, par comparaison avec celle de la région intrinsèque. De plus, la frontière entre la région de base intrin- sèque 40 et la région de base externe ou la couche de blocage 34 est formée d'une structure à hétérojonction GaAs de type p/AlGaAs de type P, si bien que les électrons implantés de la région d'émetteur 33 vers la région de base intrinsèque 40 ne peuvent pas être diffusés dans la région de base externe 36. Ceci signifie que les pertes d'électrons dans la périphérie sont éliminées (l'effet de périphérie est évité). Par conséquent, même si la région active est réduite à plusieurs microns et même dans la région des bas courants, il peut être obtenu un facteur d'amplification de courant élevé (p = IC/IB). Puisque la couche 35 de GaAS p qui fait fonction de région de base externe est formée de GaAs p, dont la concentra- tion en impureté est supérieure à 1019 cm-3, la résistance de base externe est fortement diminuée. De plus, puisque la région de base 36 est formée à l'aide du procédé MOCVD, la région de base externe ne pénètre jamais dans la région d'émetteur à large bande interdite, comme c'est le cas pour les procédés d'implantation ionique et de recuit classiques. Il est donc possible de réduire l'épaisseur de la région d'émetteur 33 en AlGaAs N de faible con- centration par rapport à celles antérieurement proposées, et, par conséquent, de diminuer la résistance d'émetteur. Comme ci-dessus décrit, la capacité Cc entre la base et le collecteur peut être diminuée à l'extrême et la résistance de base Rb peut également être extrêmement diminuée, si bien que l'on peut avoir des fonctionnements à vitesse supérieure et que l'on peut éviter l'effet de périphérie, grâce à quoi on peut obtenir un facteur d'amplification de courant élevé même pour un élément dont la longueur est d'environ 1 pm. La figure 4 montre un autre mode de réalisation dans lequel l'invention est appliquée à une configuration de circuit 9 2606214 formé de plusieurs transistors dont les émetteurs sont connectés en commun. Le procédé de fabrication de cette configuration est iden- tique à celui présenté ci-dessus pour le premier mode de réalisa- tion. Les parties correspondant à des parties de la figure 3 sont désignées par les mêmes numéros de référence, et on omettra de fournir les explications associées. Selon l'invention, l'effet de périphérie, c'est-à-dire la recombinaison des porteurs implantés de la région d'émetteur à la région de base intrinsèque dans la périphérie, peut être évité dans le transistor bipolaire du type à hétérojonction grâce à l'inser- tion de l'hétérojonction à la frontière entre la région de base intrinsèque et la région de base externe. Il est donc possible de produire un transistor bipolaire du type à hétérojonction qui possède un facteur d'amplification de courant élevé, même si le transistor a une petite taille. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. 2 06214 REVENDICATION Transistor bipolaire du type à hétérojonction, dans Lequel une région d'émetteur (33), une région de base (36) et une région de collecteur (41) sont formées sur un substrat de semi- conducteur composé, caractérisé en ce que l'on insère une hétéro- jonction (34, 33) à la frontière entre une région de base intrin- sèque (40) formée sur ladite région de base et une région de base externe (36).