Brevet FR2625611A1 — publié le 19890707

CIRCUIT INTEGRE PRESENTANT UN TRANSISTOR LATERAL' La présente invention a pour objet un circuit inté- gré présentant un transistor latéral comportant des régions d'émetteur et de collecteur d'un premier type de conductivité espacées latéralement et disposées à partir de la surface d'une région d'un deuxième type de conductivité opposé au pre- mier, l'espace latéral de ladite région du deuxième type situé entre les régions d'émetteur et de collecteur formant la base du transistor, et comportant des liaisons électriques d'émet- teUX et de collecteur dont chacune présente au moins une zone en contact électrique à travers des fenêtres d'une couche iso- lante respectivement avec ladité région d'émetteur et avec la- dite région de collecteur, la région d'émetteur présentant une profondeur et un niveau de dopage tels que la longueur de dif- fusion des porteurs minoritaires injectés verticalement dans celle-ci est supérieure ou égale à l'épaisseur de ladite ré- gion, et le rapport entre la surface de ladite région d'émet- teur et celle de ladite zone de laison électrique d'émetteur étant au moins égal à 20. Un tel circuit a été décrit dans la demande de bre- vet français ne 85 19479 déposée le 31 décembre 1985 par la Demanderesse et intitublée "Procédé de fabrication d'un tran- sistor latéral intégré et circuit intégré le comprenant". Le transistor latéral tel que décrit dans cette an- tériorité présente un gain amélioré d'un facteur pouvant at- teindre environ 1,4 par rapport aux transistors latéraux réa- lisés auparavant. On peut ainsi obtenir des transistors latéraux dont le gain en courant est de l'ordre de 10. Cependant, un des problèmes cruciaux que posent les transistors latéraux est que leur gain en courant reste très inférieur aux gains en courant des transistors verticaux, qui 30. peuvent être de l'ordre de 50 à 100. La présente invention a pour objet un circuit inté- gré présentant un transistor latéral dont le gain en courant se rapproche de celui des transistors verticaux, par exemple un gain de l'ordre de 40. L'idée de base de l'invention consiste à rompre avec le principe de symétrie gouvernant la géométrie des émet- teurs des transistors latéraux. Selon ce principe, le contact d'émetteur est peu éloigné de la jonction émetteur-base, ce qui est censé améliorer l'efficacité de l'injection latérale. Or, la Demanderesse a pu mettre en évidence que, de façon sur- prenante, on pouvait obtenir un gain en courant remarquable- ment élevé avec une géométrie dans laquelle une partie notable de la jonction émetteur-base était très éloignée du contact d'émetteur, selon au moins une direction préférentielle. Le circuit intégré selon l'invention est ainsi ca- ractérisé en ce que la région d'émetteur présente au moins une branche allongée selon une première direction dite longitudi- nale, le rapport entre la plus grande dimension selon ladite dimension longitudinale et la plus grande largeur de ladite branche transversale étant au moins égal à 5. Selon un mode de réalisation avantageux, la région d'émetteur est en forme de losange. Selon un mode de réalisation amélioré quant au cou- rant maximal admissible, la région d'émetteur présente au moins une bande, par exemple sous la forme de losanges raccor- dés selon la dimension longitudinale, et une pluralité de plots de contact. Selon un mode de réalisation préféré, la région d'émetteur comporte au moins deux branches selon au moins une première et une deuxième directions dites longitudinales. Pour augmenter le courant maximal admissible, la région d'émetteur peut présenter au moins deux.bandes selon au moins lesdites première et deuxième directions dites longitudinales chaque bande présentant une pluralité deplots de contact. Dans le cas o la région d'émetteur présente au moins quatre de telles bandes, au moins un ilôt de collecteur peut être disposé dans l'espace existant entre les bandes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limita- tif en liaison avec les dessins qui représentent: - les figures la à lc respectivement en vue de dessus, en cou- pe selon AA et en coupe selon BB, un mode de réalisation de l'invention, les figures 2a et 2b, respectivement en vue de dessus et en coupe selon CC, un mode de réalisation avantageux de l'inven- tion, la figure 2C étant un détail agrandi de la figure 2a, - la figure 3, l'allure de la courbe de gain d'un dispositif selon l'invention, - la figure 4, un autre mode de réalisation de l'invention, - les figures Sa et 5b, une variante du mode de réalisation préféré de l'invention. - et les figures 6 et 7 deux variantes du mode de réalisation préféré de l'invention. Selon les figures la à lc, un transistor latéral selon l'invention comporte une région d'émetteur 7 de forme allongée, ici en forme de losange tronqué au centre de laquel- le est disposée une ouverture 8 d'une couche d'oxyde mince 11, et servant à la prise de contact d'émetteur. Le circuit intégré comporte un substrat 1 par exem- ple de type p dans une région duquel est ménagée une couche enterrée 2 fortement dopée du type opposé, donc n+. Le subs- trat 1 est recouvert d'une couche épitaxiale de type opposé, donc n, présentant des caissons localisés, ici 4 et 3, formant respectivement un caisson pour le transistor latéral et un caisson de contact de base reliés électriquement l'un à l'au- tre par la couche enterrée 2 fortement dopée. Le caisson 3 a une forme générale rectangulaire et est séparé du caisson 4 par une région d'oxyde profond 14 qui s'étend jusqu'à la cou- che enterrée 2. Le caisson 4 est également de dimension rec- tangulaire et est bordé sur trois côtés par une région d'oxyde profond 12 qui s'étend jusqu'à la couche enterrée 2, et sur la quatrième côté par la région d'oxyde profond 14. Le caisson 3 est bordé sur ses trois côtés nonadjacents du caisson 4 par la région d'oxyde profond 12 qui borde ainsi l'ensemble des deux caissons 3 et 4. Le caisson 4 comporte des régions ici de type p, formant les régions d'émetteur 7 et de collecteur 6. La région de collecteur 6 est bordée extérieurement par les couches d'o- xyde profond 12 et 14. La région de base 5 est constituée par la région de type n du caisson 4 qui subsiste entre les ré- gions 6 et 7. L'ouverture 8 est, dans le cas d'espèce, de section carrée et ses diagonales sont disposées selon les axes du lo- sange constituant l'émetteur 7. Un plot de contact 8' repré- senté sur les figures lb et lc permet la prise de contact d'é- metteur. Le côté de l'ouverture 8 a pour valeur LI et sa dia- gonale 2L5 vaut L112. Soit L2 la valeur de la demi-diagonale principale du losange et L4 + L5 la valeur de l'autre demi-diagonale du losange. Soit L3 la longueur d'un côté du losange et L6 la demi-lon- gueur du petit côté tronquant l'extrémité du losange, d'o: L4 + L5 = L6 + L7 (1) et L32 = L22 + L72 (2) La région d'émetteur 7 a une profondeur h et un niveau de do- page tels que la longueur de diffusion des porteurs minoritai- res injectés verticalement dans celle-ci est supérieure ou égale à l'épaisseur de cette région. On désigne par J1 la densité de courant d'injec- tion latérale des porteurs minoritaires dans la base 5, par Jm la densité de courant d'injection verticale des porteurs minoritaires sous la zone de contact d'émetteur (8), et par Jo la densité de courant d'injection verticale des porteurs minoritaires sous la portion de la couche d'oxyde 11 qui re- couvre la région d'émetteur 7. La Demanderesse a pu montrer que l'expression du gain en courant p du transistor latéral pouvait se présenter en première approximation sous la forme: Ic Il 4Jl(L3 + L6)h IB lm+IO L7L12 - IB Zm+Io J.L12 + 4Jo[L2(L6+7)-] 2 4 Si on fixe les valeurs de L1, L4 et L6 par exemple aux valeurs minimales permises par le procédé, et si on fait varier la valeur L2, on obtient une courbe de gain f dont l'allure est représentée à la figure 3. Le gain 0 augmente avec la valeur-de L2 et tend vers une valeur maximale PM * lorsque L2 tend vers l'infini. On a: 4J1 h (L6 +,L22 + L72) Jo f! - 1)L12 + 4L2(L6+ L JO -' h "= L7 (3) L& + Jl avec JO h = 270 microns, L1 = 3p, L4 = 2p et L6 = 2p, il vient N=M3-' =5 89' Selon cette géométrie, la valeur du gain augmente constamment lorsque le rapport entre la surface de contact d'émetteur et la surface de la région d'émetteur augmente. Ce résultat est tout à fait surprenant pour deux raisons. D'une part, il met en évidence un cas particulier o la valeur du gain ne passe pas par un maximum contrairement à l'enseigne- ment de la demande de brevet français 85 19479 précitée, et d'autre part la valeur maximale du gain PM est plusieurs fois supérieure à celle que permettait d'obtenir la demande précitée. En effet, selon cette antériorité, on a: J1h 1 pt opt = x 2Jo L - 1 Jo avec - = 35 et les mêmes valeurs que précédemment pour L1 et Jo Jl - h, il vient Ropt: 7,8. Jo La comparaison des formules donnant les gains maximaux dans les deux cas, respectivement OM et Copt, montre que, selon la présente invention, le gain maximal pM ne J1 dépend que du rapport J ' En d'autres termes, le gain du transistor est pra- tiquement uniquement la conséquence de l'injection latérale induite par l'injection sous l'oxyde, cette injection sous oxyde étant elle-même la conséquence de l'injection sous la région de contact d'émetteur. C'est justement la forme allon- gée de l'émetteur selon une direction privilégiée qui permet de mettre pleinement à profit ce phénomène d'injection sous l'oxyde, qui était généralement perçu comme étant un phénomène indésirable. Selon les figures 2a à 2c, l'émetteur 7 comprend une pluralité de bandes 7, chaque bande comportant une bande de contact d'émetteur formant une pluralité de contacts à tra- vers des ouvertures 8. Les plots de contact 8' (non représen- tés) sont interconnectés par des bandes conductrices elles- même interconnectées. Les autres éléments substrat 1, couche enterrée 2, caissons 3 et 4, etc... portent les mêmes numéros de référence qu'aux figures la à lc. Plus particulièrement, cette structure en bandes se manifeste (voir la coupe CC de la figure 2b), par une succes- sion de bandes de régions d'émetteur 7 et de collecteur 6 sé- parées par des bandes de région de base 5. A l'extrémité des bandes de régions de base, les bandes de régions de collecteur 6 sont reliées entre elles par des sections 6'. Soit 2LA la distance entre deux ouvertures 8, soit HA la distance séparant le bord d'une ouverture 8 du bord de la bande d'émetteur correspondante 7; soit LB la demi-longueur d'une ouverture 8 et soit enfin HB la demi largeur d'une ouverture 8. 26 2 56 1 Le gain en courant f peut alors s'écrire: Ic (LA + LB)Jlh IB. HBLBJm+[(HA+ HB)(LA+LB)-HBLB]Jo Si on fixe les valeurs de HA, HB et LB, par exemple aux valeurs minimales permises par le procédé et si on fait varier la valeur de LA, on obtient une courbe de gain P dont l'allure est représentée à la figure 3. Le gain f augmen- te avec la valeur de LA et tend vers une valeur maximale BM lorsque L2 tend vers l'infini. On remarquera que les courbes et 2b, par l'espacement entre les régions de contact d'émet- teur. En effet, dans l'un et l'autre cas, la résistance d'émetteur tend à abaisser le courant maximal admissible, le gain en courant commençant à chuter à partir d'un certain ni- veau de courant. Il faut donc choisir dans le premier cas la longueur des losanges et dans le second cas l'espacement entre les contacts d'émetteur de manière à concilier un gain élevé avec une résistance d'émetteur acceptable. La structure qui comporte plusieurs bandes en parallèle permet de multiplier le courant maximal du transistor. Cette structure est donc parti- culièrement intéressante et permet d'obtenir en général une 26 2 5 6 1 1 meilleure optimisation qu'une structure à une seule bande. Par contre, une structure comportant une seule bande d'émetteur est intéressante pour des fonctionnements à faibles ou très faibles courants pour lesquels seul le gain en courant du transistor a une importance. Nous allons maintenant donner quelques exemples destinés à montrer quelles valeurs de gain peuvent être obte- nus en pratique. Les formules de calcul de gain données ci- dessus mettent en oeuvre un modèle théorique simplifié, 1er cas: émetteur en forme de losange tronqué, mêmes valeurs de,J Li, L4 et L6 que dans l'exemple précédent, et Jo Jm = 35 Jo pour L2 = 10p on a P = 26 L2 = 20p on a f = 43 Pour obtenir un gain amélioré significatif, on considère qu'il faut que: L2>5(L4 + Ls) 2eme cas: émetteur présentant une ou plusieurs bandes; mêmes valeurs de HA et HB que précédemment, et jm = 35, LB = 2,5p. pour LA = 10p on a P = 27,5 LA = 20p on a, = 40 La figure 4 représente une variante de l'invention, dans laquelle l'émetteur comporte une bande constituée par deux losanges tronqués raccordés entre eux. Les figures 5a et 5b représentent une autre varian- te de l'invention dans laquelle l'émetteur comporte deux ban- des constituées chacune par plusieurs losanges tronqués rac- cordés entre eux, ici au nombre de trois par bande. Ces deux variantes permettent un gain légèrement amélioré à largeur égale par rapport à des bandes rectilignes. Selon la figure 6, l'émetteur comporte deux bran- ches 15 et 16 disposées selon deux directions dites longitudi- nales, à l'intersection desquelles est disposé un contact d'é- metteur 24. Les deux branches 15 et 16 sont représentés ici comme deux losanges orthogonaux de même centre. Le périmètre de l'émetteur est entouré par la région de base 5 elle-même entourée par la région de collecteur 6, qui comporte une zone de prise de contact d'émetteur 19. Comme dans les modes de réalisation précédents, une couche 14 d'oxyde profond sépare le caisson 3 servant à la prise de contact de base. Cette structure à deux branches (ou plus) permet de limiter l'encombrement tout en permettant une résistance d'é- metteur plus réduite, ce qui permet de maintenir la valeur élevée du gain à des courants plus élevés. Cette disposition selon plusieurs dimensions pré- sente également l'avantage de se prêter à une réalisation en damier, selon deux directions ou plus, permettant d'autmenter les possibilités en courant, donc en puissance. Un mode de réalisation est représenté à la figure 7 selon laquelle des structures élémentaires à deux branches se- lon la figure 6 sont assemblées par l'extrémité des branches, constituant à leur tour des bandes disposées selon les deux directions longitudinales. Lorsqu'il existe au moins quatre de telles bandes, au moins un îlot de collecteur peut être dispo- sé dans l'espace existant entre les bandes. A la figure 7, ont été représentées six bandes et quatre ilôts. Chaque ilôt pré- sente un contact de collecteur 19. REVENDICATIONS: 1. Circuit intégré présentant un transistor latéral comportant des régions d'émetteur et de collecteur d'un pre- mier type de conductivité espacées latéralement et disposées à partir de la surface d'une région d'un deuxième type de con- ductivité opposé au premier, l'espace latéral de ladite région du deuxième type situé entre les régions d'émetteur et de col- lecteur formant la base du transistor, et comportant des liai- sons électriques d'émetteur et de collecteur dont chacune pré- sente au moins une zone en contact électrique à travers des fenêtres d'une couche isolante respectivement avec ladite ré- gion d'émetteur et avec ladite région de collecteur, la région d'émetteur présentant une profondeur et un niveau de dopage tel que la longueur de diffusion des porteurs minoritaires in- jectés verticalement dans celle-ci est supérieure ou'égale à l'épaisseur de ladite région, et le rapport entre ia surface de ladite région d'émetteur et celle de ladite zone de liaison électrique d'émetteur étant au moins égal à 20, caractérisé en ce que ladite région d'émetteur (7) présente une forme allon- gée selon au moins une direction longitudinale, le rapport en- tre la plus grande dimension longitudinale et la plus grande dimension transverale étant au moins égal à 5. 2. Circuit intégré selon la revendication 1 caractéri- sé en ce que la région d'émetteur (7) est en forme de losange. 3. Circuit intégré selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la région d'émetteur (7) présente au moins une bande et en ce que la zone de liaison électrique d'émetteur comporte une pluralité de plots de contact. 4. Circuit intégré selon les revendications 2 et 3 prises ensemble, caractérisé en ce qu'il comporte, au moins une bande se présentant sous la forme de losanges raccordés selon la dimension longitudinale. 5. Circuit intégré selon la revendication 4, caracté- risé en ce qu'il comporte un plot de contact pour chaque lo- sange de la bande. 6. Circuit intégré selon la revendication 1, caracté- 26 2 5611 risé en ce que la région d'émetteur (7) comporte au moins deux branches (15, 16) selon au moins une première et une deuxième direction longitudinales. 7. Circuit intégré selon la revendication 6 caractéri- sé en ce que la région d'émetteur (7) comporte au moins deux bandes selon lesdites première et deuxième direction longitu- dinales, chaque bande présentant une pluralité de plots de contact d'émetteur (24). * 8. Circuit intégré selon la revendication 7, caracté- risé en ce que la région d'émetteur (7) comporte au moins qua- tre bandes, et au moins un îlot de collecteur disposé dans l'espace existant entre les bandes.