Brevet FR2637737A1 — publié le 19900413

TRANSISTOR DE PUISSANCE EN MATERIAUX III-V SUR SUBSTRAT SILICIUM, ET SON PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne un dispositif semiconducteur de puissance, de type transistor, réalisé en matériaux de la famille III-V tel que GaAs, sur un substrat en silicium. L'arséniure de gallium, et les alliages apparentés de la meme famille, étant mauvais conducteur thermique, l'une des deux régions d'acces du transistor, c'est à dire la source ou le drain, est munie d'un puits thermique métallique, traversant la ou les couches de GaAs, qui conduit la chaleur dégagée en fonctionnement vers le substrat de silicium, meilleur conducteur thermique, qui dissipe cette chaleur. Le substrat, s'il est dopé, peut également servir d'électrode d'accès au transistor. L'invention concerne également un procédé de fabrication de ce transistor. Les performances électriques des transistors en GaAs ou matériaux III-V sont bien connues, mais il est connu également que l'arséniure de gallium est cher, fragile et est un mauvais conducteur thermique. Par contre, le silicium est relativement économique, moins fragile, bon conducteur thermique, mais les transistors en silicium ont des performances électriques limitées en fréquence. Cette opposition entre les caractéristiques de GaAs et Si a amené, depuis peu de temps, à réaliser des transistors dans une couche de GaAs épitaxiée sur un substrat de Si : le transistor 8 les performances de GaAs, il est moins côuteux en matériau semiconducteur, et la plaquette de Si, en fabrication collective, est moins fragile, donc les rendements sont meilleurs. Cette solution est intéressante pour les transistors faible bruit, de petites dimensions, qui dissipent peu de chaleur au niveau du canal. Elle est difficilement applicable aux transitors de puissance qui dissipent plus de chaleur : pour un transistor délivrant 1 watt aux fréquences millimétriques, la région du canal dissipe 3 watts. Or, le canal en GaAs repose toujours sur une couche de GaAs semi-isolant électrique, pour empêcher le courant de fuir vers le substrat en Si qui est toujours conducteur électrique : il est au mieux très résistif, car on ne sait pas faire de Si isolant électrique. Cette couche de GaAs isolant électrique constitue donc aussi une barrière thermique, qui s'oppose à l'évacuation de la chaleur par le substrat Si. Selon l'art connu, pour un transistor sur GaAs, la chaleur est pompée par la face arrière, au moyen de trous qui traversent toute l'épaisseur du corps du transistor, et sont bouchés par un métal. Mais la réalisation de ces trous est obtenue au prix d'un procédé compliqué de collage de la plaquette par sa face avant, ou face supérieure, sur un support, suivi d'un rodage du substrat GaAs qui est pratiquement remplacé par un radiateur métallique, .en or le plus souvent. Avec une telle technologie, dite "face arrière", complexe dans sa réalisation, les rendements obtenus sont souvent inférieurs à 50 %, ce qui fait perdre le bénéfice de l'économie sur les matériaux semiconducteurs. Selon l'invention, un transistor de puissance réalisé dans du GaAs épitaxie sur un substrat de Si a une dissipation thermique par le substrat améliorée par la présence, dans l'une des régions de source ou de drain, d'au moins un noyau métallique qui, traversant la ou les couches actives du transistor en GaAs ainsi que la couche de GaAs semi-isolant épitaxiée sur le substrat en Si, sert de puits thermique pour la chaleur dégagée dans le canal, ce noyau métallique étant en contact avec le substrat en Si, à l'interface substrat Si/couche GaAs épitaxiée. Ce noyau métallique traverse toutes les couches de GaAs mauvais conducteur thermique, mais ne traverse pas le substrat en Si bon conducteur thermique. Puisque le substrat en Si n'est pas isolant électrique, on peut choisir un type de silicium très dopé, de type N+ de préférence en association avec GaAs, et utiliser sa bonne conductibilité électrique pour en faire une électrode d'accès au transistor. De façon plus précise, l'invention concerne un transistor de puissance en matériaux de la famille III-V sur silicium, comportant, supportées par le substrat en silicium,au moins une couche de matériau III-V semi-isolant et une pluralité de couches de matériau 111-V dopées dans lesquelles est défini un canal conducteur muni d'une métallisation de grille ledit canal étant situé entre deux régions d'accès dites de source et de drain, munies chacune d'une métallisation, ce transistor étant caractérisé en ce qu'iI comporte, dans l'une des deux régions d'accès au canal, au moins un noyau métallique qui, traversant les couches de matériau III-V, établit à l'interface matériaux 111-V/Si un contact thermique et électrique avec le substrat en silicium, et évacue vers le substrat bon conducteur thermique la chaleur dégagée dans le canal du transistor. L'invention sera mieux comprise, et ses avantages ressortiront de la description plus détaillée qui suit, laquelle s appuie sur les figures jointes en annexe, qui représentent - fig. 1 : vue en coupe d'un transistor de puissance selon l'invention, - fig, 2 vue en coupe de la plaquette de matériaux semiconducteurs, à -l'étape précédent le perçage d'un puits thermique, au cours de la fabrication d'un transistor de puissance selon l'invention, - fig 3 vue en coupe, partielle et agrandie, du puits thermique avant bouchage par de l'or, au cours de la fabrication d'un transistor de puissance selon l'invention, Bien que l'invention concerne, d'une façon générale, tous les transistors fabriqués avec des matériaux rapides de la famille III-V, tels que GaAs, GaAlAs, In P. Gain?.., etc, sur un substrat de silicium, elle sera exposée en s'appuyant sur l'exemple non limitatif de GaAs. De même, la structure mésa de la figure 1 ne limite pas la portée de l'invention qui s'applique également aux transitors planas et aux circuits intégrés. La conception même du transistor, comme sa forme et le nombre et la nature des couches qui le constituent, n'entre pas dans le domaine de l'invention le transistor est schématisé par deux couches actives implantées dans une couche de GaAs semi-isolant, et par ses trois métallisations de source, grille et drain. Enfin, sont réputés connus et résolus les problèmes d'épitaxie de GaAs sur Si : les couches tampon qui permettent d'adapter le paramètre de mailles cristallines de GaAs au paramètre de mailles de Si ne sont pas représentées, afin de simplifier les figures. La figure I représente un transistor de puissance en GaAs sur Si selon l'invention. Il comporte un substrat 1 en silicium qui, selon l'invention, est avantageusement dopé de type N -plutât que P + - ce qui le rend bon conducteur électrique. Ce substrat a environ 50 pm d'épaisseur, ce qui est suffisant pour manipuler une plaquette de silicium. Ce substrat 1 supporte sur une face principale une couche 2 de GaAs semi-isolant, qui a été épitaxiée selon les régies de l'art. Elle a une épaisseur de l'ordre de 3,5 pm. Est semi-isolant un GaAs qui n'est pas intentionnellement dopé, c'est à dire que le taux d'impuretés est au niveau 1015 - 1016 -3 at. cm Dans cette couche 2 de GaAs sont épitaxiées ou implantées une ou plusieurs couches qui constituent la couche active du transistor. Par exemple la couche 3, dopée de type N et la couche 4 dopée de type N . Elles ont une épaisseur voisine de 3000 AO pour la couche 3 et 1500 AO pour la couche 4. La région centrale, qui peut être creusée, supporte une métallisation de grille 5, en titane-aluminium par exemple. Elle est recouverte par une couche de nitrure de silicium 7, qui s'appuie sur deux marches de silice 6 : ce sont des restes du procédé de fabrication du transistor. De part et d'autre de la grille 5 et de la région du canal, deux métallisations 8 et 9 prennent les contacts électriques sur les régions de source et drain. Le transistor représenté est de type mésa, mais il pourrait également être de type planar, et les métallisations 8 et 9 prendraient contact sur deux caissons implantés. Ces métallisations 8 et 9, fines, en Au-Ge-Ni-Au, sont épaissies par recharge (évaporée) en Ti-Pt-Au, en 10 et 11. L'originalité de ce transistor consiste en ce que, dans une région d'accès telle que la source, proche du canal sous la grille, l'ensemble des couches 2,3,4 de GaAs est percé par un puits 12, gravé dans les matériaux semiconducteurs III-V jusqu'à atteindre le substrat Si. Ce puits 12 est bouché par un métal bon conducteur thermique, généralement de l'or, qui forme un noyau métallique 13, lequel prend un contact ohmique sur le -substrat Si 1 au moyen d une couche Cr-Au 14. Le noyau métallique 13 est de dimensions aussi grandes que le permet la géométrie du transistor, de façon à présenter la plus faible impédance thermique possible. Dans le cas d'un transistor de puissance ayant une grille large, ou constitué par plusieurs transistors - en parallèle, le noyau métallique peut être rectangulaire, et courir parallèlement à la grille, ou il peut y avoir une série de noyaux, le long de la grille. Le puits 12 est bouché par recharge électrolytique d'or, jusqu a ce que la surface supérieure 15 de l'or 13 soit dans le plan de la métallisation 8 de source, avant recharge métallique en Ti-Pt-Au 10. Le noyau métallique 13 sert de puits thermique aux calories dégagées par le canal, dans les couches conductrices 3 et 4, et, traversant la couche 2 de GaAs isolant électrique et thermique, guide ces calories vers le substrat 1 en silicium bon conducteur thermique. L'un des problèmes des transistors de puissance est celui des interconnexions extérieures dans le plan supérieur de la pastille. En particulier dans le cas d'un transistor interdigité, pour sortir 3 métallisations dans un plan à 2 dimensions, l'une au moins des métallisations, généralement la source, est prise soit au moyen de pont à air, soit au moyen d'un trou métallisé qui, traversant toute la pastille, assure un contact en face arrière. Mais la technologie du trou métallisé, dite "via hole", est une technologie en face arrière, dont il a été dit qu'elle a un mauvais rendement de fabrication. C'est un avantage de l'invention que d'utiliser un substrat 1 en silicium dopé -de préférence de type N avec les matériaux rapides- donc bon conducteur électrique : non seulement le substrat sert d'électrode pour la recharge en or électrolytique 13 du puits 12, mais encore le noyau d'or 13, le contact ohmique 14 en Cr-Au et le substrat 1 en silicium N peuvent être utilisés comme connexion électrique d'accès à la source. Les connexions de grille et drain sont pris#es sur une première face de la plaquette- côté GaAs - et la connexion de source est prise sur une seconde face de la plaquette -côté Sisans recourir à une technologie face arrière, ni aux ponts d'air. Dans ce cas, le substrat silicium supporte une métallisation 16 de reprise de contact. Le procédé de fabrication de ce transistor est assez simple. Il est illustré par les figures 2 et 3, qui n'en donnent que les étapes essentielles. Les étapes initiales appartiennent toutes à l'art connu, c'est pourquoi elles ne sont ni détaillées, ni représentées. Elles consistent à réaliser un transistor classique en GaAs sur un substrat en silicium dopé. La suite d'opérations d'epitaxie, implantations, masquage, gravure ... etc, aboutit à une structure telle que celle représentée en figure 2, qui ne reproduit que la partie proche du canal dans un transistor. Cette structure ne diffère d'une structure classique que par l'existence d'une ouverture 17 dans une métallisation d'accès 8 au transistor : c'est préférentiellement la métallisation de source, plus chaude. Elle diffère également en ce que le substrat est en silicium conducteur, tandis que dans l'art connu il est plus fréquemment très résistif. Le transistor, dans cet état, peut fonctionner, mais il chauffe. Selon l'invention, l'ouverture 17 dans la métallisation 8 de source est utilisée pour graver un puits 12 dans les couches de GaAs. Le puits 12 est symbolisé par un pointillé en-figure 2, et agrandi en figure 3, La plaquette est recouverte, du côté transistor GaAs, par une couche épaisse 18 de photorésist, qui est ensuite masquée et développée de façon à -y créèr une ouverture 19, concentrique à l'ouverture 17 dans la métallisation 8. L'ouverture 19 peut être plus petite en raison de la future sous-gravure. Les couches de GaAs sont alors gravées, soit par une gravure chimique sélective au moyen d'une solution connue de PO4 H3 + H2 02, soit par plasma de chlore dans un fréon. Cette gravure s'arrête sur le silicium du substrat 1, et le puits 12 a des flancs inclinés à 450 par rapport au substrat ils rejoignent la métallisation 8. A titre d'exemple non limitatif, le puits 12 a une profondeur de 3 à 5 Fun, et l'ouverture 19 a un diamètre -ou une largeur- de 10 Wn. A travers l'ouverture 19, un contact ohmique 14 est déposé sur le silicium d#u substrat par évaporation, par la face avant, de chrome et d'or, selon une méthode directionnelle. La dissolution de la couche épaisse de résine 18, par une opération dite de "lift-off", dégage la surface de la plaquette, et en particulier l'ouverture du puits 12, et par la même opéraiton supprime la couche 20 de Cr-Au qui s'est déposée sur la résine 18 au cours de l'évaporation. Le contact ohmique 14 sert alors, en combinaison avec le substrat 1 qui est conducteur, a effectuer une recharge en or électrolytique dans le puits 12. Cette recharge est arrêtée lorsque le noyau métallique 13 ainsi créé est coplanaire, en 15, avec la métallisation 8. Une recharge en Ti-Pt-Au par évaporation des métallisations 8 et 9 de source et de drain complète le transistor selon l'invention, tel que représenté en figure 1. C'est un avantage, qui vlent compléter l'invention, que de rôder le substrat silicium pour en diminuer l'épaisseur. La plaquette de silicium dopé 1 avait, au début des opérations, une épaisseur comprise entre 200 et 400 clam, qui permet une manipulation sans risque de casse, donc avec un bon rendement. Par amincissement à 50 pin, on diminue l'impédance thermique du substrat 1, et on favorise le transfert de chaleur vers une embase métallique. En outre, une rondelle de silicium de 50 pin d'épaisseur est manipulable, au moins jusqu a sa découpe en puces de transistors de puissance. Sa face arrière est métallisée en 16, soit pour la brasure, soit comme électrode d'accès à la source. Bien entendu, un transistor selon l'invention peut recevoir un puits thermique 13 sous le drain au lieu de le recevoir sous la source. Dans tous les cas, la dissipation thermique est optimisée par rapport aux transistors classiques en GaAs sur silicium, et ce procédé élimine la technologie dite face arrière, toutes les opérations étant faites par la face avant, avec de meilleurs rendements. REVENDICATIONS 1 - Transistor de -puissance en matériaux de la famille III-V sur silicium, comportant, supportées par le substrat en silicium (1), au moins une couche de matériau III-V semi-isolant (2) et une pluralité de couches de matériau III-V dopées (3,4) dans lesquelles est défini un canal conducteur muni d'une métallisation de grille (5), ledit canal étant situé entre deux régions d'accès dites -de source et de drain, munies chacune d'une métallisation (8,9), ce transistor étant caractérisé en ce qu'il comporte, dans l'une des deux régions d'accès au canal, au moins un noyau métallique (13) qui, traversant les couches de matériau III-V (2,3,4), établit à l'interface matériaux III-V/Si un contact thermique et électrique avec le substrat en silicium (1), et évacue vers le substrat bon conducteur thermique la chaleur dégagée dans le canal du transistor. 2 - Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau métallique (13) est en or. 3 - Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau métallique (13) prend un contact ohmique sur le substrat (1), au niveau de l'interface avec la couche (2) de matériau semi-isolant, au moyen d'une couche (14) de chrome-or. 4 - Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau métallique (13) est coplanaire (en 15) avec la métallisation d'accès (8) de la région qu'il traverse. 5 - Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau métallique (13) est limité aux seules couches de matériaux III-V (2,3,4), mauvaises conductrices thermiques. 6 - Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (1) est en silicium dopé (N+ ou P+). 7 - Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que les matériaux III-V qui constituent les couches du transistor sont des composés binaires, ou ternaires entre Ga, As, Al, Ion,?. 8 - Procédé de fabrication d'un transistor de puissance selon la revendication 1, comportant des étapes préliminaires de fabrication du- transistor en matériaux de la famille III-V sur un substrat de silicium (1) dopé, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre - au moins une ouverture (17) dans la métallisation (8) de prise de contact de l'une des deux régions d'acces, source ou drain, - gravure, à travers cette ouverture (17) et au moyen d'un masque (8) r d'un puits (12) par un procédé sélectif qui ne grave que les couches (2,3,4) de matériaux III-V, mais s'arrête au contact du substrat en silicium (1) - dépôt dans le fond du puits, par évaporation directionnelle, d'une couche (15) de chrome-or, assurant un contact ohmique avec le substrat en silicium (1), - élimination du masque (18) - recharge électrolytique du puits (12) en métal, l'or -de préférence, en utilisant le substrat conducteur Jusqu'à ce que le noyau métallique (13) formé soit coplanaire avec la métallisation (8) de la région dans laquelle il est forme. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est complété par un amincissement de la face arrière du substrat en silicium (1). 10 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen de gravure sélectif est soit chimique, par une solution de P04 H3 +H2 02 > -soit physique, par un plasma de chlore dans un fréon.