Brevet FR2656466A1 — publié le 19910628

CIRCUIT INTEGRE A SEMICONDUCTEURS COMPOSES AYANT UNE REGION IMPLANTEE La présente invention concerne un circuit intégré à semiconducteurs composés, et elle porte plus particuliè- rement sur un perfectionnement d'une caractéristique d'iso- lation d'une région d'isolation entre des éléments qui sont formés dans ce circuit. On décrira un circuit intégré à semiconducteurs composés de type classique en prenant à titre d'exemple un circuit intégré en Ga As. La figure 5 est une coupe montrant un exemple d'un circuit intégré en Ga As de type classique, au centre de laquelle se trouve une partie située entre des éléments du circuit Sur la figure 5, la référence 1 désigne un substrat en Ga As semi-isolant, la référence 2 désigne une couche de Ga As de type N qui est formée par croissance épi- taxiale sur le substrat en Ga As semi-isolant 1, la référen- ce 16 désigne une région d'implantation d'ions hydrogène qui est formée dans la couche de Ga As de type n, 2, et dans le substrat en Ga As semi-isolant 1, pour isoler des élé- ments, les références 5 et 6 désignent des transistors à effet de champ qui sont formés dans le circuit intégré en Ga As, les références 7 et 10 désignent des électrodes de source des transistors à effet de champ respectifs 5 et 6, les références 8 et 11 désignent des électrodes de grille des transistors à effet de champ respectifs 5 et 6, et les références 9 et 12 désignent des électrodes de drain des transistors à effet de champ respectifs 5 et 6. La figure 6 est une coupe montrant un exemple de la séquence de fabrication qu'on utilise pour fabriquer le circuit intégré en Ga As qui est représenté sur la figure 5. On décrira ci-après la séquence de fabrication en se réfé- rant à la figure 6. En premier lieu, comme il est représenté en (a) sur la figure 6, on forme la couche de Ga As de type N (cou- che n) 2 sur le substrat en Ga As semi-isolant 1, en procé- dant par croissance épitaxiale. Ensuite, comme il est représenté en (b) sur la figure 6, on implante une quantité désirée d'ions hydrogène entre l'élément 5 et l'élément 6 (qui sont dans ce cas des transistors à effet de champ), pour former une région d'im- plantation d'ions hydrogène 16 La résistance de la couche de Ga As de type n, 2, est augmentée dans cette région d'implantation d'ions hydrogène 16, du fait que l'implan- tation ionique forme des centres de piégeage des porteurs, ce qui fait que cette couche constitue une couche semi-iso- lante (couche i), grâce à quoi on peut réaliser l'isolation entre les éléments. Ensuite, on forme les électrodes de source 7 et , les électrodes de grille 8 et 11 et les électrodes de drain 9 et 12 dans les transistors à effet de champ res- pectifs 5 et 6, et on interconnecte ces structures Le cir- cuit intégré en Ga As est ainsi terminé. Dans le circuit intégré en Ga As classique, l'iso- lation entre des éléments est réalisée par la séquence de fabrication décrite ci-dessus Une courbe 13 qui est repré- sentée sur la figure 3 montre un exemple de la caractéris- tique tension-courant entre des éléments dans ce cas Lors- qu'une tension entre des éléments est inférieure à VTF 1 (qu'on appelle une tension de remplissage de pièges), un courant ohmique circule et la résistance entre des éléments est élevée Lorsque la tension est supérieure à VT Fl' le courant augmente de façon abrupte et la résistance entre les éléments est réduite de façon abrupte, ce qui a pour effet d'augmenter un courant de fuite. De plus, lorsqu'une tension supérieure ou égale à VTF 1 est appliquée entre les éléments, du fait d'un phéno- mène propre à un semiconducteur composé ayant une caracté- ristique semi-isolante, un effet de grille arrière se mani- feste par claquage de la structure n-i-n et les éléments isolés sont mutuellement influencés, ce qui a pour effet der dégrader des caractéristiques des éléments. En outre, il existe une corrélation négative en- tre la tension de remplissage de pièges VTF 1 mentionnée ci- dessus et la résistance dans la région ohmique, de la ma- nière générale qui est représentée sur la figure 9 Lors- qu'on augmente la résistance dans la région ohmique en ajustant la condition d'implantation des ions hydrogène, la tension VTF 1 diminue, et l'effet de grille arrière est alors susceptible de se produire, ce qui fait qu'il n'est pas possible de maintenir les deux à des valeurs appro- priées Comme décrit ci-dessus, du fait qu'il n'est pas possible de maintenir à la fois la résistance entre les éléments et la tension de remplissage de pièges à des va- leurs élevées dans le circuit intégré à semiconducteurs composés de type classique, les caractéristiques des élé- ments sont dégradées du fait que le courant de fuite est élevé ou du fait que les éléments sont mutuellement in- fluencés par le claquage. L'invention a été faite dans le but de résoudre les problèmes précités, et un but de l'invention est de procurer un circuit intégré à semiconducteurs composés ayant une structure dans laquelle on peut maintenir à une valeur élevée à la fois la résistance entre des éléments et une tension de remplissage de pièges. Un circuit intégré à semiconducteurs composés conforme à l'invention comprend une région dans laquelle on a implanté des ions d'impureté pour former un niveau de capture de porteurs, et qui est formée dans une région d'isolation d'éléments dans un substrat en semiconducteur composé semi-isolant Cette région comprend au moins une première région dans laquelle l'impureté est présente avec une faible concentration, et une seconde région dans la- quelle l'impureté est présente avec une concentration plus élevée que dans la première région. Conformément à l'invention, du fait que des ions d'impureté qui sont destinés à former un niveau de capture de porteurs sont implantés sélectivement dans la région d'isolation d'éléments dans le substrat en semiconducteur composé semi-isolant, après quoi on forme une région conte- nant les ions d'impureté avec une faible concentration et une région contenant les ions d'impureté avec une concen- tration élevée, la résistance entre les éléments est élevée dans la région d'impureté de faible concentration, et une tension de remplissage de pièges peut être maintenue élevée dans la région d'impureté à concentration élevée, ce qui permet d'obtenir une valeur élevée à la fois pour la résis- tance entre les éléments et pour la tension de remplissage de pièges. D'autres buts et avantages de l'invention ressor- tiront de la description détaillée qui suit de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une coupe montrant un circuit in- tégré à semiconducteurs composés conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, dans laquelle une partie située entre des éléments est placée au centre de la figu- re; La figure 2 est une représentation en coupe mon- trant une séquence de fabrication du circuit intégré à semiconducteurs composés qui est représenté sur la figure 1; La figure 3 est un graphique montrant une carac- téristique tension-courant dans une région d'implantation d'ions hydrogène; La figure 4 est une coupe montrant un circuit intégré à semiconducteurs composés conforme à un second mode de réalisation de l'invention, dans laquelle une par- tie située entre des éléments est placée au centre de la figure; La figure 5 est une coupe montrant un circuit intégré à semiconducteurs composés de type classique, dans laquelle une partie située entre des éléments est placée au centre de la figure; La figure 6 est une coupe montrant une séquence de fabrication pour le circuit intégré à semiconducteurs composés qui est représenté sur la figure 5; La figure 7 est un graphique montrant la relation entre la concentration d'implantation d'ions bore et la résistance d'isolation; La figure 8 est un graphique montrant la relation entre la concentration de porteurs d'une couche N et la concentration d'implantation optimale d'ions bore; et La figure 9 est un graphique montrant la relation entre la tension de remplissage de pièges VTF et la résis- -tance dans une région ohmique. La figure 1 est une coupe montrant un circuit intégré à semiconducteurs composés conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, dans laquelle une par- tie située entre des éléments est placée au centre de la figure Sur la figure 1, les parties qui sont identiques ou similaires à celles de la figure 5 sont désignées par les mêmes références Les références 3 a et 3 b désignent des régions d'implantation d'impureté à faible concentration, qui sont formées dans une région d'isolation d'éléments adjacente aux côtés o sont formés des éléments, et la ré- férence 4 désigne une région d'implantation d'impureté à concentration élevée, qui est formée entre les régions d'implantation d'impureté à faible concentration 3 a et 3 b. La figure 2 est une représentation en coupe mon- trant un exemple de séquence de fabrication d'un circuit intégré en Ga As représenté sur la figure 1, dans laquelle une partie située entre des éléments est placée en position centrale On décrira ci-après la séquence de fabrication en se référant à la figure 2. En premier lieu, comme représenté en (a) sur la figure 2, on forme sur un substrat en Ga As semi-isolant 1 une couche de Ga As de type N (couche n) 2, ayant une con- centration de porteurs qui est par exemple de 1 x 1017 à 2 x 1018 cm-3, en utilisant un procédé tel que l'implanta- tion ionique ou la croissance épitaxiale. Ensuite, comme représenté en (b) sur la figure 2, on forme une région d'implantation d'impureté 3 à faible concentration, dans une région d'isolation d'éléments, en- tre des transistors à effet de champ 5 et 6, qui sera for- mée ultérieurement par implantation d'une impureté isolan- te, comme par exemple des ions hydrogène, des ions bore ou des ions oxygène, formant un niveau de capture de porteurs, dans des conditions telles que la résistance entre les élé- ments puisse devenir maximale On envisagera ci-après des graphiques qu'on utilise pour déterminer la condition d'im- plantation dans laquelle la résistance entre des éléments devient maximale. Ainsi, la figure 7 montre la relation entre la concentration d'implantation d'ions bore (concentration d'ions bore, cm-3) et la résistance d'isolation (SL cm), lorsque la concentration de porteurs de la couche N 2 est égale à 3,5 x 1017 cm-3, et la figure 8 montre la relation entre la concentration de porteurs (cm-3) de la couche N 2 et la concentration d'implantation optimale (cm 3) d'ions bore Comme on peut le voir sur la figure 7, du fait que le centre de piégeage des porteurs est formé dans une région d'implantation ayant une faible concentration d'implanta- tion, la résistance de la couche N est augmentée propor- tionnellement à la concentration d'implantation Cependant, une conduction par bonds se produit lorsque la concentra- tion dépasse une certaine valeur, et la résistance corres- pondante est alors diminuée Si la couche N 2 a une concen- tration de porteurs d'environ 1 x 1017 à 1 x 1019 cm, de façon à être utilisée pour un circuit intégré normal, la concentration d'ions bore doit être d'environ 1 x 1015 à 17 3 1 x 10 cm, dans le but d'augmenter la résistance de la couche i 3 A titre d'exemple, lorsque la concentration de 17 3 porteurs de la couche N est égale à 3,5 x 10 cm, on peut effectivement augmenter la résistance de la couche i 3 en fixant la concentration d'ions bore à environ 1 x 1016 -3 cm De plus, du fait que la relation entre la concentra- tion d'ions bore implantés et la résistance d'isolation, qui est représentée sur la figure 7, dépend de la concen- tration de porteurs dans la couche N 2, on doit déterminer la concentration optimale de bore implanté conformément à la concentration de porteurs, en se référant à la figure 8. De plus, bien qu'on implante des ions bore dans le mode de réalisation cidessus, si on implante des ions hydrogène dans le but d'augmenter la résistance de la couche i, comme dans l'exemple classique, on doit fixer la densité d'im- plantation à environ 1 x 1013 à 1 x 1014 cm et on doit fixer la concentration d'implantation à environ 1 x 10 à 1 x 10 cm pour un circuit intégré normal Ensuite, com- me représenté en (c) sur la figure 2, on forme une région d'implantation d'impureté 4 ayant une concentration élevée, en implantant une impureté seulement dans la partie centra- le de la région d'implantation d'impureté à faible concen- tration, 3 Lorsqu'on implante des ions bore, la concentra- 17 19 -3 tion d'implantation est d'environ 1 x 10 à 1 x 10 cm D'autre part, lorsqu'on implante des ions hydrogène, la densité d'implantation est d'environ 1 x 1014 à 1 x 1016 -2 19 cm et la concentration d'implantation est de 1 x 10 à 1 x 1021 cm La résistance dans la région d'implantation d'impureté à concentration élevée, 4, est réduite à cause de l'apparition de la conduction par bonds Cependant, on peut augmenter une tension de remplissage de pièges VTF" du fait que la résistance entre éléments est inversement pro- portionnelle à la tension de remplissage de pièges, comme le montre la figure 9 Une courbe 14 qui est représentée sur la figure 3 montre une caractéristique tension-courant de la région d'isolation d'éléments ayant une concentration d'impureté qui correspond à la région d'impureté à concen- tration élevée, dans laquelle la résistance dans une région ohmique est réduite, mais la tension de remplissage de piè- ges VTF 2 est augmentée. Ensuite, après avoir formé la région d'implanta- tion à concentration élevée 4, on forme des électrodes de source 7 et 10, des électrodes de grille 8 et 11 et des électrodes de drain 9 et 12, dans les parties respectives 5 et 6 qui sont prévues pour la formation de transistors à effet de champ, comme représenté en (d) sur la figure 2, et on interconnecte ensuite les structures qui sont formées. La fabrication d'un circuit intégré en Ga As est ainsi ter- minée. Le circuit intégré à semiconducteurs composés conforme à l'invention comprend une région d'impureté à faible concentration qui est destinée à maintenir à une va- leur élevée la résistance entre des éléments dans la région d'isolation d'éléments, et une région d'impureté à concen- tration élevée qui est destinée à maintenir une valeur éle- vée pour la tension de remplissage de pièges, de façon à pouvoir réduire un courant de fuite entre éléments et une influence mutuelle entre éléments Il en résulte qu'il est possible d'améliorer la résistance d'isolation et la tenue en tension entre des couches n-i-n dans la couche i de la région d'isolation d'élément qui est intercalée dans la couche N 2. De plus, bien qu'on ait décrit un cas dans lequel il y a deux sortes de régions d'impureté avec des concen- trations différentes dans la région d'isolation d'éléments, dans le mode de réalisation de l'invention considéré ci- dessus, on peut obtenir le même effet en sélectionnant de façon appropriée les concentrations d'impureté, même lors- qu'il y a plus de deux sortes de régions d'impureté ayant des concentrations différentes. La figure 4 est une coupe montrant un circuit intégré à semiconducteurs composés conforme à un second mode de réalisation de l'invention Sur la figure 4, les éléments identiques à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes références numériques La référence 15 désigne une région présentant des gradations de concentration qui sont formées par l'implantation en plusieurs phases d'une impureté telle que des ions hydrogène ou des ions bore. Dans ce cas également, la région présentant des gradations de concentration, 15, comprend des régions 3 a et 3 b ayant une faible concentration d'impureté, pour augmen- ter la résistance entre les éléments, et une région 4 ayant une concentration d'impureté élevée pour augmenter la ten- sion de remplissage de pièges, de façon à réduire le cou- rant de fuite et l'influence mutuelle entre les éléments. De plus, bien que les régions à faible concentra- tion d'impureté 3 a et 3 b soient formées dans des positions adjacentes aux transistors à effet de champ 5 et 6, tandis que la région à concentration en impureté élevée 4 est for- mée entre les transistors, dans la région d'isolation d'éléments des modes de réalisation ci-dessus, la disposi- tion des régions à faible concentration d'impureté 3 a et 3 b et de la région à concentration d'impureté élevée 4 n'est pas limitée à ce qui précède A titre d'exemple, les ré- gions à concentration d'impureté élevée peuvent être for- mées dans des positions adjacentes aux transistors à effet de champ 5 et 6, et la région à faible concentration d'im- pureté peut être formée entre elles, ou bien la région à concentration d'impureté élevée et la région à faible con- centration d'impureté peuvent être formées à un seul exem- plaire dans la région d'isolation d'éléments En résumé, conformément à l'invention, il existe au moins une région ayant une faible concentration d'impureté pour augmenter la résistance entre les éléments, et une région ayant une con- centration d'impureté élevée pour augmenter la tension de remplissage de pièges dans la région d'isolation d'élément, et leur structure n'est pas limitée à ce qui est représenté dans les modes de réalisation ci-dessus. Bien que des ions hydrogène, des ions bore, des ions oxygène, etc, soient envisagés dans les modes de réa- lisation ci-dessus, à titre d'impureté à implanter dans la région d'isolation d'élément, on peut utiliser un autre ion, à condition qu'il permette de former un niveau de capture de porteurs par implantation, permettant ainsi de former une couche à résistivité élevée ou couche semi-iso- lante (couche i). De plus, bien qu'on ait décrit un circuit intégré en Ga As dans les modes de réalisation ci-dessus, on peut obtenir le même effet en utilisant un autre matériau semi- conducteur composé semi-isolant, tel que Al Ga As ou In P. Comme décrit ci-dessus, et conformément à l'in- vention, du fait qu'une région comprenant les ions d'impu- reté avec une faible concentration et une région comprenant les mêmes ions avec une concentration élevée, sont formées dans une région d'isolation d'éléments dans un substrat semiconducteur composé semi- isolant, par l'implantation sélective d'ions d'impureté qui forment un niveau de captu- re de porteurs, on peut obtenir une résistance élevée entre éléments dans la région d'impureté de faible concentration, et on peut maintenir une tension de remplissage de pièges il de valeur élevée dans la région d'impureté de concentration élevée, grâce à quoi on peut maintenir à une valeur élevée à la fois la résistance entre les éléments et la tension de remplissage de pièges Il en résulte qu'on peut réaliser un circuit intégré à semiconducteurs composés ayant de bonnes performances, dans lequel le courant de fuite entre des éléments est faible et l'influence mutuelle entre les élé- ments est également faible. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Circuit intégré à semiconducteurs composés comprenant une région dans laquelle est implantée une impu- reté ayant pour but d'établir un niveau de capture de por- teurs, et qui est formée dans une région d'isolation d'élé- ments sur un substrat semiconducteur composé semi-isolant ( 1), caractérisé en ce que cette région comprend au moins une première région ( 3 a, 3 b) ayant une faible concentration d'implantation de l'impureté précitée; et une seconde ré- gion ( 4) ayant une concentration d'implantation élevée de l'impureté précitée. 2 Circuit intégré à semiconducteurs composés selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impureté pour la formation du niveau de capture de porteurs consiste en ions hydrogène. 3 Circuit intégré à semiconducteurs composés selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impureté pour la formation du niveau de capture de porteurs consiste en ions bore. 4 Circuit intégré à semiconducteurs composés selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impureté pour la formation du niveau de capture de porteurs consiste en ions oxygène. Circuit intégré à semiconducteurs composés selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une région dans laquelle est implantée une impureté prévue pour la formation d'un niveau de capture de porteurs, est formée dans une région d'isolation d'éléments sur un substrat semiconducteur semi-isolant ( 1), et les premières régions ( 3 a, 3 b) à faible concentration d'impureté sont formées dans des positions adjacentes aux deux extrémités des ré- gions de formation d'éléments ( 5, 6), tandis que la seconde région à concentration d'impureté élevée ( 4) est formée de façon à être intercalée entre les premières régions ( 3 a, 3 b). 6 Circuit intégré à semiconducteurs composés selon la revendication 2, caractérisé en ce que la concen- tration d'impureté de la première région ( 3 a, 3 b) est de 17 19 3 1 x 10 à 1 x 10 cm, et la concentration d'impureté de la seconde région ( 4) est de 1 x 1019 à 1 x 1021 cm 3 lorsque l'impureté qui est implantée consiste en ions hy- drogène. 7 Circuit intégré à semiconducteurs composés selon la revendication 3, caractérisé en ce que la concen- tration d'impureté de la première région est de 1 x 1015 à 17 -3 1 x 10 cm, et la concentration d'impureté de la seconde 17 19 -3 région est de 1 x 10 à 1 x 10 cm, lorsque l'impureté qui est implantée consiste en ions bore. 8 Circuit intégré à semiconducteurs composés selon la revendication 4, caractérisé en ce que la concen- tration d'impureté de la première région ( 3 a, 3 b) est de 17 -3 1 x 10 à 1 x 10 cm, et la concentration d'impureté de 17 19 -3 la seconde région est de 1 x 10 à 1 x 10 cm, lorsque l'impureté qui est implantée consiste en oxygène. 9 Circuit intégré à semiconducteurs composés selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une région dans laquelle est implantée une impureté destinée à la for- mation d'un niveau de capture de porteurs, est formée dans une région d'isolation d'éléments ( 15) sur un substrat semiconducteur composé semiisolant ( 1), et cette région comprend au moins la première région ( 3 a, 3 b) à faible con- centration d'implantation de l'impureté, et la seconde ré- gion ( 4) à concentration d'implantation élevée de l'impu- reté, dans lesquelles sont établies des gradations de la concentration d'impureté. Circuit intégré à semiconducteurs composés selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat semiconducteur composé semi-isolant ( 1) consiste en Al Ga As ou In P.