Brevet FR2640814A1 — publié le 19900622

CIRCUIT INTEGRE PRESENTANT UN TRANSISTOR VERTICAL" L'invention a pour objet un circuit intégré présen- tant un transistor vertical comportant une région de collec- teur d'un premier type de conductivité, une région de base d'un deuxième type de conductivité disposée sur au moins une partie de la région de collecteur et une région d'émetteur comprenant au moins une zone du premier type de conductivité incluse dans une partie de la région de base à partir d'une surface principale du circuit. Dans les transistors connus, le gain en courant en inverse BI, défini comme le rapport entre le courant d'émet- teur IE et le courant de base IB lorsque la jonction col- lecteur-base est polarisée en inverse, est peu élevé. Dans certaines applications, il est souhaitable de disposer de transistors présentant un gain en inverse BI élevé, par exemple pouvant atteindre plusieurs dizaines. Il est ainsi possible d'améliorer la tension collecteur-émetteur VCEsat du transistor en saturation, ou bien en utilisant le transistor en inverse, de réaliser un transistor multi-collec- teurs. L'invention a pour objet un circuit intégré présen- tant un tel transistor vertical. - L'idée de base de l'invention est que, dans le cas o l'épaisseur totale de la base est inférieure ou égale à la longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans cette ré-' gion, les phénomènes d'injection des porteurs obéissent à des régies entièrement différentes des règles admises par les théories classiques. L'invention concerne alors un circuit intégré du ty- pe précité caractérisé en ce que l'épaisseur totale de la base est inférieure ou égale à la longueur de diffusion des por- teurs minoritaires dans ces régions, en ce que la région de base comporte une région de prise de contact comprenant au moins une plage jouxtant ladite zone de la région d'émetteur, cette région de prise de contact étant recouverte d'une couche isolante présentant une fenêtre à travers laquelle une couche conductrice est disposée de manière à constituer une prise de contact de base, le rapport entre la surface de la région de prise de contact de base et celle de la fenêtre étant au moins égal à 10, et en ce que la région de prise de contact de base à une surface inférieure à 5 fois celle de la région d'émet- teur. Selon un premier mode de réalisation, la région de prise de contact de base comporte une plage entourée par une zone unique constituant la région d'émetteur. Selon un deuxième mode de réalisation, la région d'émetteur présente au moins deux zones encadrant au moins une plage de ladite région de prise de contact de base. Selon un troisième mode de réalisation avantageux, la région d'émetteur présente au moins deux paires de zones, les deux zones d'une paire encadrant une plage de ladite ré- gion de prise de contact de base. Selon un mode de réalisation préféré, la région de base présente une pluralité de branches, chaque branche-pré- sentant une zone de la région d'émetteur, et la région de pri- se de contact de base présente une plage disposée dans une ré- gion centrale par rapport aux branches. 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 représenent: - les figures la et lb respectivement en vue de dessus et en coupe, un premier mode de réalisation de l'invention - les figures 2a et 2b respectivement en vue de dessus et en coupe, un deuxième mode de réalisation de l'invention - les figures 3a et 3b, un mode préféré de réalisation de l'invention - et la figure 4, un troisième mode de réalisation de 1'in- vention. Selon les figures la et lb, un circuit intégré se- 26408 14 Ilon l'invention comporte un substrat 1 de type p sur lequel a été réalisée une couche enterrée n+ 5 formant le collecteur du transistor vertical, puis une couche épitaxiale de type p 2 destinée à former la base du transistor. Une couche 3 d'oxyde profond délimite d'une part un premier caisson 4 pour le transistor vertical et un deuxième caisson n+6 pour la prise du contact collecteur sur la surface principale du circuit. La couche 3 d'oxyde profond est légère- ment plus profonde que la couche épitaxiale 2. Dans le caisson 4 sont diffusées deux zones de type n 12 espacées l'une de l'autre et destinées à former l'émet- teur du transistor. L'espace 15 de la base 2 qui est situé entre les deux zones 12 constituant l'émetteur, sert à la prise de con- tact de base. Une couche d'isolant 10, par exemple une couche d'oxyde mince réalisée sur toute la surface du circuit inté- gré, présente des fenêtres dans lesquelles sont réalisées les métallisations de prise de contact d'émetteur 11, de base 14 et de collecteur 13. La base 2 est telle que son épaisseur totale est inférieure ou égale à la longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans ces régions. Dans ce cas, la Demanderesse a été à même de mon- trer que le phénomène d'injection verticale peut être modélisé de manière très différente des théories classiques. En fonctionnement inverse, la jonction collecteur- base est polarisée en direct, les jonctions émetteur-base et collecteur substrat sont soit en inverse, soit à tension nul- les. Le gain inverse I est le rapport entre le courant d'é- metteur IE et le courant de base IB. Les deux zones 7 formant la région d'émetteur ont chacun une largeur HE, une longueur LE, et une surface SE. La région de base affleure en 15 à la surface prin- cipale du circuit dont une partie est sous la fenêtre de base de surface SM, et dont l'autre partie, située sous la couche d'isolant 10 a une surface Sx et forme une région de prise de contact de base. Les courants injectés sont représentés à la figure lb, et leur valeur dépend en partie de la tension de polarisa- tion base-collecteur VBc et de la dimension des zones. Le courant d'émetteur a pour valeur: V Bc IE = 2 SEJo(e -) e = exponentielle T Le courant IM injecté sous le contact de base (injection sous métal) a pour valeur: VBc IM = SMIM (ev- -1) T Le courant Ix injecté sous l'oxyde recouvrant la base a pour valeur: Ix = SxJx (eVBc -1) VT Le courant Isub vers le substrat a pour valeur: VBc V Isub=Js (2S E+Sx+SM) (eV -1)J S(2S e+Sx)( 1) T T Jo, JMr Jx et J5 désignent les densités de courant in- jectés respectivement dans l'émetteur, sous une couche métal- lique dans la région de base, sous une couche dioxyde dans la région de base, et vers le substrat. On néglige le courant de recombinaison dans la cou- che enterrée 5. On a par exemple: JO= 500 10-21A/pm2 JM= 50 10-21A/pm2 Jx= 1,3 10-21A/pm2 Js = 3,5 10-21A/pm2 Le gain en courant inverse peut s'exprimer: IE 25E Jo I xJx + SMM + (2SE+Sx)J x x M 35E x s Il résulte de cette équation que, pour avoir une valeur élevée de BI, il faut que la surface Sx soit aussi petite que possible étant donné que le terme prépondérant du dénominateur est le terme en JM qui est très supérieur à Jx et à Js, et il faut également que Sx soit petit devant SE. On peut exprimer l'inverse du gain 1/BI: 1 Sx(Jx+Js) + SMJM + 2SEJs Bii= 2SEJo Sx (Jx s) SM M Js +3J 2SE J +j I 2SE o 2SE o J soit avec les valeurs numérique de Js, Jx, JM et JO données ci-dessus: 1 1 S S I S x M - = 100 (0,7 + 0,48 X + 5 S) 13 10 i-SE SE -I Il apparaît que, pour SM me a un poids inférieur ou égal à celui de l'avant dernier terme. Il faut également que le rapport Sx/SE soit faible pour que la valeur du gain DI soit suffisamment élevée. Soit: HE = largeur d'une zone d'émetteur LE = longueur d'une zone d'émetteur Hx = largeur laissant la place à une bande de métallisation de base Lx = longueur d'une zone de contact de base Posons -Sx = HxLx (car SM"Sx) choisissons Hx à la valeur minimale permise par le procédé, par exemple 14pm. Choisissons LE Lx = 25pm et SM = 1Opm2. On a alors: 1 1 (00 7 + 9 On obient alors la variation de SI en fonction de HE: I I I I I I I |HE(im) I 5 10 20 50 I I 1 I 1 I J I 40 l62,5 t 87 1113 1 143 1 IIII I I Dans l'exemple ci-dessus, une largeur HE d'émetteur égale à pm garantit un gain inverse 8I supérieur à 50. Pour HE = 10Om, étudions l'influence de LE. Ona: 1 I 5 I 100 LE) I I I I I I I ILE("m) | 101 15 I 20 1 25 | 50 ! l l I I I I | 13j 152 57 60 62 66 La longueur LE des zones d'émetteur à bien moins d'influence que leur largeur. Ceci montre qu'une forme très favorable est celle d'émetteurs allongés. Ceci est logique puisque lorsqu'on augmente LE, on augmente également Sx. Or c'est le rapport des surfaces qui est prépondérant. Les meilleurs résultats pour BT sont donc obtenus pour SM, LE et Lx ayant la valeur minimale permise par le procédé, et HE la valeur la plus grande réalisable en pratique, ce qui correspond à une forme de transistor ayant des émetteurs allongés selon une ou plusieurs directions privilégiées. Les figures 3a et 3b montrent aussi une structure en forme de croix à quatre branches (20 à 23) présentant un émetteur comportant quatre zones (12) interconnectées par une bande de métallisation figurée en pointillés. Une autre forme favorable correspond au cas repré- senté aux figures 2a et 2b, dans lequel l'émetteur a une forme d'une bande fermée sur elle-même et entourant entièrement la base, qui présente les côtes minimales permises par le procé- dé, soit par exemple: SM = 10pm2 Sx = 120pm2 HE = 10pm2 d'o: L'E = 11Pm La surface de l'émetteur a alors pour valeur: SE = 4L' H + 4H = 840pm2 1 Js +(JxJs) Sx M Js I Jo Jo E JoSE D'o BI = 106 avec les valeur de Js, JM et JO données précédemment à titre d'exemple. Cette structure donne donc également un gain élevé. Elle présente en outre les avantages suivants: - plus faible résistance de base - plus faible valeur à gain égal de la capacité de jonction. Une variante représentée à la figure 4 comporte une pluralité de structures disposées en parallèle présentant en alternance une zone d'émetteur, une zone de base, deux zones d'émetteur, une zone de base etc... Une autre forme présentant un gain inverse moindre consiste en l'alternance d'une zone d'émetteur et d'une zone de base. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisa- tion décrits et représentés. En particulier, bien qu'elle ait été décrite dans le cas de transistors npn, elle peut égale- ment être mise en oeuvre pour des transistors pnp. 26 40 8 14 REVENDICATIONS: 1. Circuit intégré présentant un transistor vertical comportant une région de collecteur d'un premier type de con- ductivité, une région de base d'un deuxième type de conducti- vité disposée sur au moins une partie de la région de collec- teur et une région d'émetteur comprenant au moins une zone du premier type de conductivité incluse dans une partie de la ré- gion de base à partir d'une surface principale du circuit ca- ractérisé en ce que l'épaisseur totale de la base (2, 15) est inférieure ou égale à la longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans cette région, en ce que la région de base (2) comporte une région de prise de contact (15) comportant au moins une plage jouxtant ladite zone de la région d'émetteur, cette région de prise de contact étant recouverte d'une couche isolante (10) présentant une fenêtre (10') à travers laquelle une couche conductrice (11) est disposée de manière à consti- tuer une prise de contact de base, le rapport entre la surface de la région de prise de contact de base (15) et la surface de la fenêtre (10') étant au moins égal à 10, et en ce que la ré- gion de prise de contact de base (15) a une surface inférieure à 5 fois celle de la région d'émetteur (12). 2. Circuit intégré selon la revendication 1 caractéri- sé en ce que la région de prise de contact de base (15) com- porte une plage entourée par une zone unique (12) constituant la région d'émetteur. 3. Circuit intégré selon la revendication 1 caractéri- sé en ce que la région d'émetteur (12) comporte au moins deux zones encadrant au moins une plage de ladite région de prise de contact de base (15). 4. Circuit intégré selon la revendication 3 caractéri- sé en ce que la région d'émetteur comporte au moins deux pai- res de zones, les zones de chaque paire encadrant une région différente de prise de contact de base (Fig.4). 5. Circuit intégré selon la revendication 1 caractéri- sé en ce que la région de base présente une pluralité de bran- ches (20 à 23), chaque branche présentant une zone de la ré- gion d'émetteur (12) et en ce que la région de prise de con- tact de base (15) présente une plage disposée dans une région centrale par rapport aux branches (20 à 23).