Brevet FR2651375A1 — publié le 19910301

La présente invention concerne un dispositif à semiconducteurs, et elle porte plus particulièrement sur une structure d'électrode de commande qui est destinée à améliorer les caractéristiques d'un transistor à semi- conducteurs composés qui est utilisé dans une bande d'ondes millimétriques ou de micro-ondes. La figure 3 représente une coupe d'une partie principale d'un transis- tor à effet de champ d'un type fondamental (qu'on appellera ci-après "FET"). Sur la figure 3, la référence 1 désigne un substrat semiconducteur. Des couches conductrices ou des couches isolantes nécessaires pour le fonction- nement sont formées sur le substrat 1. Une électrode de grille 2 est formée pour permettre de moduler le courant qui circule de l'électrode de drain 3 vers l'électrode de source 4, au moyen d'un champ électrique qui est ap- pliqué à cette électrode. Une utilisation importante d'un tel FET concerne un amplificateur à faible bruit. Le facteur de fonctionnement qui est le plus important dans cette utilisation est le facteur de bruit (qu'on désigne ci-après par "F") , qui indique le niveau de bruit que produit le FET lui-même. Du fait que le facteur de bruit se dégrade sous l'effet de l'augmentation de la fréquence, divers dispositifs ont été réalisés dans le but d'utiliser le FET à une fré- quence très élevée, comme dans la bande des ondes millimétriques ou des micro-ondes. Le facteur de bruit minimal (Fmin) est habituellement donné par la formule suivante: Fmin = 1 + 2 'r fKfCgs \J(Rs + Rg)/gm, dans laquelle gm est la conductance mutuelle, Rs est la résistance série de source, Rg est la résistance de grille, Cs est la capacité grille-source, Kf est une constante et f est la fréquence. Comme le montre la formule ci- dessus, pour diminuer F, il est nécessaire d'augmenter la conductance mu- tuelle gm et de réduire la capacité grille-source Cgs, la résistance grille- source Rs et la résistance de grille Rg. Pour réduire Cgs et augmenter gm, il est très efficace de réduire la gs longueur de grille (Lg) du dispositif. Dans des dispositifs tels que des MESFET ou des HEMT (transistor à mobilité élevée des électrons) au GaAs, qui ont été envisagés récemment à titre d'éléments à faible bruit utilisés dans la bande micro-onde, on fait habituellement en sorte que la longueur L soit très courte, par exemple inférieure à 0,5 micron. Cependant, le g raccourcissement de L entraîne une diminution de l'aire de section droite g de la grille, et en outre une augmentation de R. Par exemple, dans le cas g de l'électrode de grille rectangulaire qui est représentée sur la figure 3, il y a une limitation à la réduction de F, et la valeur de Fmin à 12 GHz est limitée à environ ldB. On peut réduire R en fabriquant une électrode de grille en forme de g T, comme le montre la figure 4. Sur la figure 4, une électrode de grille 2 a une section transversale en forme de T, et la longueur de grille Lg, qui est la longueur de la partie en contact avec le substrat semiconducteur 1 est définie de façon à être très faible, par exemple de 0,2 micron. Cepen- dant, une partie supérieure de l'électrode de grille est formée de façon à avoir une aire de section droite plus élevée, ce qui évite une augmentation de R. Avec une telle structure, on réalise un élément ayant un facteur de g bruit F min de 0,5 à 0,6 dB, ce qui montre que la réduction de R est très mln g efficace. Cependant, la fabrication de l'électrode de grille en forme de T nécessite de former un motif fin pour définir la longueur Lg d'environ 0,2 micron, ce qui n'est pas aisé du point de vue de la fabrication. La figure 5 montre une vue en plan d'un FET. La référence 2a dési- gne un doigt de grille et la référence 2b désigne un plot de grille. Les ré- férences 3 et 4 désignent respectivement une électrode de drain et une électrode de source. La référence 5 désigne un point d'alimentation pour l'application d'une tension au doigt de grille 2a. Les figures 3 et 4 cor- respondent à des coupes selon les lignes III-III et IV-IV de la figure 5. La connexion avec l'extérieur est réalisée en fixant un fil sur le plot de grille 2b. Le FET est habituellement réalisé comme le montre la figure 5, et une tension est appliquée au doigt de grille 2a à partir des deux points d'ali- mentation 5 et la longueur du doigt de grille 2a (largeur de grille complè- te: Wg) est divisée électriquement en quatre, ce qui donne quatre largeurs de grille élémentaires Z, chacune d'elles étant égale à Wg/4. La relation suivante est établie entre la résistance de grille Rg, la largeur de grille complète W et la largeur de grille élémentaire (qui est une longueur d'ali- g mentation à partir de points d'alimentation respectifs) Z Wg R o 2 Si on conserve la même valeur pour la largeur de grille complète Wg, l'aug- mentation du nombre de points d'alimentation 5 est efficace pour réduire la largeur de grille élémentaire Z. En augmentant ainsi le nombre de points d'alimentation, on peut em- pêcher l'augmentation de Rg. Cependant, si on augmente simplement le nom- bre de points d'alimentation par une structure telle que celle qui est re- présentée sur la figure 5, le nombre de plots de grille 2b est également augmenté, et un grand nombre de connexions avec l'extérieur doivent être réalisées. En outre, l'augmentation des plots de grille d'aire élevée présen- te l'inconvénient d'entraîner une augmentation de la capacité flottante. Les figures 6(a) et 6(b) montrent un exemple dans lequel le nombre de points d'alimentation est augmenté sans augmenter le nombre de plots de grille. La figure 6(a) montre une vue en plan et la figure 6(b) montre une représentation schématique en coupe partielle selon la ligne VIb-VIb de la figure 6(a). Le nombre de points d'alimentation est de cinq et la largeur de grille élémentaire Z est égale à Wg/10, grâce à quoi la résis- tance R est considérablement réduite. Le plot de grille 2b et le point g d'alimentation 5 sont connectés par l'interconnexion de grille 6, et cette interconnexion de grille 6 passe sur l'électrode de source 4. L'interconnexion de grille 6 et l'électrode de source 4 sont évidemment isolées l'une de l'autre. Il faut cependant prendre soin de ne pas augmenter la capacité entre elles. L'interconnexion de grille 6 est donc disposée en pont sur l'élec- trode de source 4. On appelle habituellement cette structure un "pont d'air" et du fait que l'air a une plus faible constante diélectrique que la couche isolante telle que SiO2, il est possible d'obtenir une réduction de capacité. Un exemple tel que celui représenté sur les figures 6(a), 6(b) est décrit dans le document IEICE Technical Report, Vol. 88, N 60, pages 39 à 44 (1988), et dans une telle structure, on obtient un facteur de bruit amélio- ré F min de 0,5 à 0,6 dB, sans utiliser une grille ayant une section transver- sale en forme de T. Une autre structure, représentée sur les figures 7(a), 7(b) est envi- sagée à titre de procédé pour réduire la résistance de grille (brevet euro- péen 0203225A2, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-32, N 12, décembre 1985, pages 2754 à 2759 "Airbridge Gate FET for GaAs Monolithic Circuits"). Cette configuration adopte une structure de pont d'air, sur la base d'un principe similaire à celui de la figure 5. La caractéristique de cette configuration réside dans le fait que l'alimentation en énergie électrique est effectuée non par un point, mais par la totalité de la largeur de la grille. Lorsqu'on adopte une telle configuration, on peut réduire R à une g valeur telle que ce paramètre peut être négligé en pratique, et ceci est très utile pour la propriété de faible bruit. Cependant, l'électrode de gril- le 6 et l'électrode de source 4 se croisent sur une aire étendue, et même si on adopte une structure de pont d'air, l'augmentation de la capacité de grille crée un problème très important. Comme décrit ci-dessus, divers procédés ont été envisagés pour rédui- re la résistance de grille dans le but de produire un FET à faible bruit. Cependant, les processus de fabrication s'accompagnent d'une grande dif- ficulté en ce qui concerne la fabrication industrielle ou d'une augmentation de la capacité de grille qui influe défavorablement sur les caractéristiques. Ceci conduit à une amélioration insuffisante des performances. Un but de l'invention est de procurer un dispositif à semiconducteurs ayant d'excellentes performances de bruit, dans lequel on obtient une ré- sistance de grille réduite en augmentant le nombre de points d'alimentation de grille, sans que ceci ne s'accompagne d'une augmentation du nombre de plots de grille ou de la capacité de grille. Selon un aspect de l'invention, un ensemble de points d'alimentation sont établis sur un doigt de grille qui s'étend sur un substrat, et des points d'alimentation adjacents sont reliés par une interconnexion de grille qui est placée à un emplacement sur le doigt de grille auquel il existe une couche d'air entre l'interconnexion de grille et le doigt de grille, et la connexion au plot de grille externe est effectuée dans une partie de l'interconnexion. Il en résulte qu'on peut réduire à l'étendue minimale le croisement de l'in- terconnexion de grille et de l'électrode de source, et on peut réduire la résistance de grille sans que ceci n'entraîne une augmentation de la capaci- té de grille, grâce à quoi on obtient un FET ayant de meilleures performan- ces de bruit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la descrip- tion se réfère aux dessins annexés, sur lesquels: les figures l(a) et l(b) sont respectivement une vue en plan et une vue en perspective d'un dispositif à semiconducteurs conforme à un premier mode de réalisation de l'invention; les figures 2(a) à 2(c) sont respectivement une vue en plan et des coupes d'un dispositif à semiconducteurs conforme à un second mode de réalisation de l'invention; la figure 3 est une coupe montrant une partie principale d'un FET de base de type classique; la figure 4 est une coupe montrant une partie principale d'un FET de l'art antérieur ayant une grille en forme de T; la figure 5 est une vue en plan montrant un FET de l'art antérieur les figures 6(a) et 6(b) sont respectivement une vue en plan et une coupe d'un FET de l'art antérieur comportant plusieurs points d'alimentation; et les figures 7(a) et 7(b) sont respectivement une vue en plan et une coupe montrant un autre dispositif à semiconducteurs de l'art antérieur. Les figures l(a), l(b) montrent la structure d'un dispositif à semi- conducteurs conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, et la figure 1(a) montre une vue en plan tandis que la figure l(b) montre une vue en perspective de ce dispositif. Sur les figures l(a), l(b), cinq points d'alimentation 5 sont établis sur le doigt d'électrode 2a, et des points d'alimentation 5 adjacents sont reliés dans une structure de pont d'air par l'interconnexion de grille 6 qui se trouve en un emplacement situé au- dessus du doigt de grille 2a, auquel une couche d'air existe entre l'inter- connexion de grille 6 et le doigt de grille 2a. En outre, l'interconnexion 6 sort vers le plot de grille externe 2b, à partir du point d'alimentation central. On décrira le processus de fabrication de 1'interconnexion de grille 6 du dispositif à semiconducteurs décrit ci- dessus, en considérant le cas d'une structure HEMT. En premier lieu, on forme successivement sur un substrat en semi- conducteurs composé 1 tel que GaAs, une couche en GaAs de type i, non do- pée, u couche en AlGaAs de type n dopée avec Si, et une couche en GaAs de type n dopée avec Si, en procédant par croissance épitaxiale, comme par exemple avec le procédé d'épitaxie par jets moléculaires, après quoi on forme sur la surface du substrat 1 une électrode de drain 3, une élec- trode de source 4 et un doigt de grille 2a par un procédé de dépôt et de décollement. On dépose ensuite une première couche de résine photosensible sur la totalité du substrat, pour recouvrir le doigt de grille 2a, l'électrode de source 4 et l'électrode de drain 3, et on enlève la première couche de ré- sine photosensible sur les points d'alimentation 5 du doigt de grille 2a, par exposition et développement. Ensuite, une couche conductrice, par exemple en Ti/Au, est formée sur la totalité du substrat par une technique telle que la pulvérisation ca- thodique, et une seconde couche de résine photosensible est déposée sur la couche conductrice, après quoi la seconde couche de résine photosensible est enlevée par exposition et développement dans la partie de formation d'interconnexion de grille, sur le doigt de grille 2a. On effectue ensuite un dépôt d'Au sur la partie de formation d'inter- connexion de grille, par dorure électrolytique, pour former ainsi une inter- connexion de grille 6. Ensuite, on enlève la seconde couche de résine photosensible, par exemple au moyen d'un solvant organique, après quoi on enlève la couche conductrice à la périphérie de l'interconnexion de grille 6, par attaque par voie sèche, comme par exemple par érosion ionique, et on enlève en outre la première couche de résine photosensible qui existe entre l'interconnexion de grille 6 et le doigt de grille 2a au moyen d'un solvant organique, ce qui achève l'interconnexion de grille 6 d'une structure de pont d'air. En connectant l'interconnexion de grille 6 qui est ainsi formée au plot de grille 2b qui est formé à l'extérieur, en effectuant la connexion de sortie de l'interconnexion de grille 6 au point d'alimentation qui se trou- ve au centre, on obtient la structure qui est représentée sur les figures l(a), l(b). Dans ce mode de réalisation, les points d'alimentation 5 du doigt de grille 2a sont connectés les uns aux autres par l'interconnexion de grille 6 qui est formée directement au-dessus du doigt de grille 2a avec interposi- tion d'un espace d'air, et ensuite une partie de l'interconnexion de grille 6 est dirigée vers le plot de grille extérieur 2b. Par conséquent, même lors- qu'un ensemble de points d'alimentation sont établis, on peut éviter le croi- sement de l'interconnexion de grille 6 et de l'électrode de source 4, et on peut diminuer effectivement la résistance de grille sans entraîner une aug- mentation de la capacité de grille Cgs. Par exemple, dans la configuration de l'art antérieur qui est représentée sur les figures 6(a), 6(b), l'augmen- tation de la capacité de grille Cgs qui résulte du fait que l'interconnexion gs de grille 6 et l'électrode de source 4 se croisent, est de 15 %, conjointe- ment à l'augmentation du nombre des points d'alimentation 5. D'autre part, on peut réduire cette augmentation à 0 % en supprimant le croisement de l'interconnexion de grille 6 avec l'électrode de source 4, ce qui améliore le facteur de bruit minimal Fmin en le faisant passer de 0,6 dB à 0,52 dB. En outre, les figures 2(a), 2(b) montrent un exemple d'un dispositif à semiconducteurs conforme à un second mode de réalisation de l'invention, dans lequel la connexion avec le plot de grille est réalisée dans la partie d'extrémité de l'interconnexion de grille. La figure 2(a) montre une vue en plan et la figure 2(b) montre une coupe selon la ligne IIb-IIb de la fi- gure 2(a). Ce mode de réalisation ne diffère du premier mode de réalisation que par l'emplacement auquel la connexion vers l'extérieur est établie. Dans ce second mode de réalisation, on forme une configuration dans laquelle l'interconnexion de grille 6 et l'électrode de source 4 ne se croi- sent pas lorsqu'on les observe d'une position située directement audessus, et on peut empêcher l'augmentation de la capacité de grille, même lorsque le nombre de points d'alimentation est augmenté. En outre, on peut donner à l'aire de section droite de l'interconnexion de grille 6 une valeur extrê- mement supérieure à celle du doigt de grille 2a, ce qui permet de réduire effectivement R. g La figure 2(c) est une représentation schématique montrant un exem- ple d'une coupe selon la ligne IIc-IIc de la figure 2(a). Cette structure correspond à un dispositif dans lequel on cherche à réduire la résistance série de source Rs, et le doigt de grille 2a est disposé dans une position proche de l'électrode de source 4, comme le montre la figure. A titre d'exemple, la distance source-grille Lsg est de 1 micron, la longueur de grille Lg est de 0,5 micron, et la distance drain-grille Ldg est d'environ 2 microns. En outre, dans une telle structure, l'interconnexion de grille 6 est formée dans une position plus proche de l'électrode de drain 3, ce qui fait que cette interconnexion de grille 6 peut être formée dans une position bien éloignée de l'électrode de source 4, permettant ainsi d'éviter l'augmen- tation de la capacité. En outre, l'interconnexion de grille 6 du mode de réalisation présent a une largeur de 3 microns et une hauteur de 2 microns, et la fabrication de l'interconnexion ayant de telles dimensions peut être effectuée aisément par dorure, comme décrit ci-dessus. Bien que dans les premier et second modes de réalisation décrits ci- dessus, la connexion de sortie de l'interconnexion de grille 6 vers le plot de grille 2b soit établie dans la partie centrale ou à l'extrémité du doigt de grille 2a, l'invention n'est pas limitée à ces positions pour la connexion de sortie. En outre, le nombre d'électrodes de connexion de sortie n'est pas limité à un. De plus, la partie d'électrode de connexion de sortie n'est pas obligatoirement établie en l'air, comme il est représenté sur la figure l(b). On a considéré un transistor HEMT dans le mode de réalisation dé- crit ci-dessus, mais l'invention n'est pas limitée à ce type de transistor, et elle peut être appliquée à toutes les structures d'électrode de commande d'un transistor à effet de champ tel qu'un MESFET au GaAs fonctionnant dans une région de fréquence élevée. Comme il ressort de façon évidente de la description précédente, et conformément à l'invention, des points d'alimentation de grille sont direc- tement connectés les uns aux autres par une interconnexion à pont d'air sur le doigt de grille, ce qui permet de réduire la résistance de grille grâce à l'existence de points d'alimentation multiples, sans augmenter la capacité entre les électrodes de grille et les électrodes de source, permettant ainsi de fabriquer aisément un dispositif à semiconducteurs ayant un faible bruit. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif à semiconducteurs comprenant un transistor à effet de champ, fonctionnant dans une bande de fréquence élevée, caractérisé en ce qu'il comprend: un ensemble de points d'alimentation (5) formés sur un doigt de grille (2a) qui s'étend sur un substrat (1) du transistor à effet de champ; une interconnexion de grille (6) qui connecte les uns aux autres des points d'alimentation (5) adjacents, cette interconnexion de grille étant placée sur le doigt de grille (2a) à un emplacement auquel une couche d'air existe entre le doigt de grille (2a) et l'interconnexion de grille (6); et un plot de grille (2b) qui est destiné à recevoir un signal d'entrée prove- nant de l'extérieur et qui est connecté à l'interconnexion de grille (6). 2. Dispositif à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interconnexion de grille (6) ne croise pas une électrode de sour- ce (4) du transistor à effet de champ dans le chemin allant du doigt de grille (2a) au plot de grille (2b). 3. Dispositif à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interconnexion de grille (6) sur le doigt de grille (2a) est dé- calée vers le côté de l'électrode de drain (3) par rapport au doigt de grille (2a). 4. Dispositif à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la connexion entre l'interconnexion de grille (6) et le plot de grille (2b) est réalisée dans la partie centrale du doigt de grille (2a). 5. Dispositif à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la connexion entre l'interconnexion de grille (6) et le plot de grille (2b) est réalisée à une extrémité du doigt de grille (2a). 6. Dispositif à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transistor à effet de champ fonctionnant dans une bande de fréquence élevée est un transistor HEMT ou un transistor MESFET au GaAs. 7. Dispositif à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est fabriqué par les opérations suivantes: on forme une élec- trode de drain (3), une électrode de source (4) et un doigt de grille (2a) sur une surface du subtsrat semiconducteur (1), et on forme une première couche de résine photosensible sur la surface du substrat, sauf sur l'en- semble de points d'alimentation (5) sur le doigt de grille (2a); on forme une couche conductrice sur la totalité de la surface du substrat (1), et on forme une seconde couche de résine photosensible sur la surface du substrat (1), sauf dans une région de formation d'interconnexion de grille sur le doigt de grille (2a); on dépose un métal d'interconnexion de grille par électrodéposition sur la région de formation d'interconnexion de grille, et on forme une électrode de grille; on enlève la seconde couche de résine photosensible à la périphérie de la région d'interconnexion de grille et de la couche conductrice, et on enlève la première couche de résine photosen- sible qui existe entre l'interconnexion de grille (6) et le doigt de grille (2a), pour produire ainsi une structure à pont d'air; et on forme un con- ducteur qui constitue une connexion de sortie pour l'interconnexion de gril- le (6), ce conducteur partant d'un point d'alimentation (5) arbitraire et connectant l'interconnexion de grille (6) à un plot de grille (2b) qui est formé à l'extérieur.