Brevet FR2677171A1 — publié le 19921204

Ai TRANSISTOR DE GAIN EN COURANT PREDETERMINE DANS UN CIRCUIT INTEGRE BIPOLAIRE La présente invention concerne le domaine des circuits intégrés bipolaires et plus particulièrement la formation dans un circuit intégré bipolaire de transistors présentant des gains relatifs prédéterminés. La présente invention sera plus particulièrement expo- sée dans le cas de circuits intégrés bipolaires à isolement par jonction. Dans un circuit intégré, on utilise de très nombreux composants identiques assemblés de diverses façons en divers circuits Tous les composants sont fabriqués à l'identique pour que les caractéristiques des circuits obtenus à partir de ès composants soient déterminables En effet, dans un circuit inté- gré classique, si, par exemple, on utilise deux types distincts de transistors NPN, tous les transistors d'un type donné auront des caractéristiques déterminées mais les relations entre les caractéristiques de transistors du premier type et de transis- tors du deuxième type seront généralement sujettes à variation en fonction des variations de la technologie de fabrication (notamment variation des niveaux de dopage des diverses couches et des profondeurs de diffusion liées aux recuits). La figure 1 représente le composant de base d'un cir- cuit intégré bipolaire classique à isolement par jonction dans le cas o le substrat est de type P et o les divers éléments sont formés dans des caissons de type N. Le circuit intégré est formé à partir d'un substrat 1 en semiconducteur monocristallin d'un premier type de conducti- vité, par exemple du silicium de type P Au-dessus de ce subs- trat est formée une couche du type de conductivité opposé, N, généralement par épitaxie C'est ètte couche N qui est divisée en caissons 2 par des diffusions profondes du premier type de conductivité 3 rejoignant le substrat 1 à partir de la surface de la plaquette Couramment, le fond du caisson comprend une région enterrée 4 du deuxième type de conductivité à fort niveau de dopage Un transistor NPN formé dans le caisson 2 comprend une région de collecteur qui correspond au caisson 2 Un contact de collecteur C est pris sur cette région 2 par l'intermédiaire d 'une zone surdopée 6 A partir de la surfaoe du caisson, est formée par implantation/diffusion une région en cuvette 7 de type P qui correspondra à la base du transistor NPN A l'inté- rieur de la région de base, est formée une région N+ d'émetteur 8 Un contact de base B est formé sur la région 7 Une métal- lisation d'émetteur E est formée sur la région d'émetteur 8. Les niveaux de dopage, les profondeurs de jonction et les gradients de concentration au niveau des jonctions émetteur- base et base-collecteur déterminent les caractéristiques du transistor NPN obtenu et notamment son gain en courant et sa tension de claquage BVCEO Normalement, pour fabriquer des transistors NPN présentant des gains en courant différents de ceux représentés en figure 1, il faudra modifier l'une de leurs caractéristiques, par exemple le dopage de leur base ou de leur émetteur, mais alors ès deuxièmes transistors n'auront pas, dans des lots de fabrication différents, des gains déterminés avec précision par rapport aux premiers transistors. De tels transistors NPN modifiés par rapport aux premiers ont déjà été réalisés dans l'art antérieur, par exemple comme cela est décrit dans le brevet français 2 101 228 d'IBM ou dans le brevet français 2 282 721 de RCA Dans le brevet IBM, un 5 transistor normal et un transistor à très faible gain en courant sont rassemblés dans un même caisson et le transistor à très faible gain est destiné à fonctionner en diode, ètte diode étant éventuellement reliée par son anode à la base du transis- tor normal Aucun de ès documents ne décrit un nouveau transis- tor à gain déterminé constitué de deux transistors élémentaires interconnectés. Un objet de la présente invention est de prévoir, dans un circuit intégré bipolaire comprenant des premiers transistors bipolaires "normaux", des deuxièmes transistors bipolaires présentant par rapport aux premiers un rapport de gain déterminé indépendamment des variations des paramètres de fabrication et de la température. Pour atteindre cet objet, la présente invention pré- voit de former dans un même caisson un premier transistor bipo- laire élémentaire "normal" et un deuxième transistor bipolaire élémentaire à base très fortement dopée, les bases et les émet- teurs de oes deux transistors étant interconnectés Pour obtenir un transistor bipolaire présentant, par rapport aux transistors bipolaires normaux du circuit, un gain en courant de 1/k+l, on prévoit que, dans un caisson donné, le transistor élémentaire à base très fortement dopée présente une surface d'émetteur k fois plus élevée que celle du transistor élémentaire normal. Plus particulièrement, la présente invention prévoit un circuit intégré bipolaire à caissons d'un premier type de conductivité formés dans un substrat du deuxième type de cond uc- tivité, comprenant dans des premiers caissons des premiers tran- sistors dont le caisson constitue le collecteur à l'intérieur duquel est formée une région de base du deuxième type de conduc- tivité contenant elle-même une région d'émetteur du premier type de conductivité Ce circuit intégré comprend, dans au moins un deuxième caisson formant collecteur, un deuxième transistor constitué d'un troisième transistor élémentaire comprenant des régions de même dopage que les premiers transistors et d'un 5 quatrième transistor élémentaire ayant une région de base à niveau de dopage élevé devant celui des bases des premiers transistors et une région d'émetteur de même niveau de dopage que celui des premiers transistors, les émetteurs et les bases des troisième et quatrième transistors étant interconnectés et10 constituant respectivement l'émetteur et la base du second transistor. Ainsi, la présente invention prévoit un circuit intégré bipolaire comprenant dans des caissons isolés formant collecteur des premiers transistors et un deuxième transistor15 présentant par rapport aux premiers un gain en courant dans un rapport l/k+l, ce deuxième transistor étant constitué par la connexion en parallèle d'un troisième et d'un quatrième tran- sistor élémentaire formés dans un même caisson de collecteur, le troisième transistor étant identique aux premiers et le20 quatrième transistor ayant une base très fortement dopée par rapport aux premiers et un émetteur de même dopage, la surface d'émetteur du quatrième transistor étant k fois plus grande que celle du troisième. Selon un mode de réalisation de l'invention, les caissons sont isolés par jonction et le fond de chaque caisson comprend une couche enterrée du premier type de conductivité à haut niveau de dopage. Selon un mode de réalisation de l'invention, les bases des quatrièmes transistors sont environ mille fois plus dopées par unité de surface que les bases des premiers transistors. Selon un mode de réalisation de l'invention, les bases des troisième et quatrième transistors sont adjacentes. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les dessins joints parmi lesquels: 5 la figure 1 représente la structure classique d'un transistor NPN dans un circuit intégré bipolaire à caissons isolés par jonction; la figure 2 représente un premier mode de réalisation de la présente invention; la figure 3 représente le schéma équivalent d'un tran- sistor à gain réglable selon la présente invention; la figure 4 représente un deuxième mode de réalisation de la présente invention; et la figure 5 représente en vue de dessus un mode de réalisation de la présente invention. Dans les figures 1, 2, 4 et 5, les diverses couches ne sont pas représentées à l'échelle, leurs dimensions étant arbi- trairement agrandies ou rétrécies pour améliorer la lisibilité des figures, comme cela est classique dans le domaine de la représentation des composants semiconducteurs De plus, les formes des couches ne correspondent pas aux formes réelles. Notamment, les divers bords et coins de couches représentés caxrme rectangulaires sont en fait arrondis par suite des diverses étapes de diffusion et de recuit En outre, dans ces figures, les régions ou zones identiques ou équivalentes sont désignées par les mêmes références numériques. La figure 2 représente un transistor NPN, E'B'C', à gain prédéterminé selon la présente invention Une structure El BîC' équivalente à la stucture EBC de la figure 1, constitue30 un premier transistor élémentaire En outre, dans le même caisson, sont prévues une deuxième région de base Il et une deuxième région d'émetteur 12 pour former un deuxième transistor élémentaire d'émetteur E 2, de base B 2 et de collecteur C'. Les niveaux de dopage des couches de base et d'émet- teur 7 et 8 du transistor élémentaire E 1 Bl C' sont strictement identiques à èlles du transistor de la figure 1 Par contre, la région de base 11 est fortement dopée par rapport à la région de base 7 La région d'émetteur 12 présente le même niveau de dopage que la région d'émetteur 8 Les bases Bl et B 2 sont interconnectées, ou bien de façon externe ou bien par des métal- lisations sur le composant, pour former la base B' du transistor à gain prédéterminé et les régions d'émetteur El et E 2 sont interconnectées pour former l'émetteur E' du transistor à gain prédéterminé. Le rapport k entre la surface de la région d'émetteur 8 et la surfaoe de la région d'émetteur 12 est déterminé de la façon exposée ci-après pour fixer le gain du transistor. On va d'abord rappeler les mécanismes qui fixent le gain en courant d'un transistor. Quand une tension VBE est appliquée entre base et émetteur d'un transistor, il se crée deux flux de porteurs. L'émetteur injecte dans la base un flux de porteurs inversement proportionnel au nombre de Gummel de cette base (le nombre de Gummel est le nombre d'atomes dopants introduits par unité de surface dans chaque région du transistor) Dans un transistor présentant des valeurs de dopage classiques tel que celui de la figure 1, pratiquement tous ès porteurs traversent la base et constituent le courant de collecteur. La base injecte dans l'émetteur un flux de porteurs inversement proportionnel au nombre de Gummel de l'émetteur Ces porteurs constituent la quasi-totalité du courant de base. Le gain en courant d'un transistor, égal au rapport entre le courant de collecteur et le courant de base est donc égal au rapport des nombres de Gummel de l'émetteur et de la base (il sera élevé si ce rapport est élevé) En fait, il s'agit là d'une explication simplifiée et des facteurs correcteurs doivent être appliqués, notamment pour tenir compte des forts dopages d'émetteur En conséquenoe il faut noter que le gain n'est pas égal mais directement lié au rapport des nombres de Gummel Cette remarque n'affecte pas les explications ci-après o l'on considère des transistors de même dopage d'émetteur. Si l'on compare le transistor élémentaire B 2 E 2 C' au transistor élémentaire Bl E 1 C', pour une même tension base- émetteur, et de mêmes surfaoes d'émetteurs, le courant de base sera le même car le nombre de Gummel des émetteurs est le même. Toutefois, pour le transistor élémentaire B 2 E 2 C', le courant collecteur sera très faible, par exemple nettement inférieur au courant de base car le nombre de Gummel de la seconde base est très grand Le deuxième transistor présente donc un gain en courant très faible. Si l'on considère le transistor E'B'C' constitué de l'association en parallèle des transistors El B 1 C' et E 2 B 2 C', et que l'on injecte un courant IB dans la borne de base B', ce courant se répartira également entre les deux transistors puisque les émetteurs de ces deux transistors ont le même nombre de Gummel Ainsi il circulera un courant de base moitié dans le transistor El Bl C' qui donc présentera un courant collecteur moitié de celui qu'il aurait en l'absence du transistor E 2 B 2 C'. Comme le courant de collecteur du transistor E 2 B 2 C' est prati- quement nul, le gain en courant du transistor E'B'C' de la figure 2 est donc divisé par 2 par rapport à èlui du transistor25 EBC de la figure 1 Plus généralement, si le rapport entre les surfaoes des régions d'émetteur 8 et 12 est égal à k, le gain du transistor E'B'C' sera égal à l/k+l fois le gain du transistor EBC de la figure 1. On a ainsi réalisé un nouveau transistor présentant un gain déterminé par rapport à celui des transistors "normaux", le nouveau gain étant fixé par le rapport entre les surfaès d'émetteur, paramètre qui est réglable de façon simple et fiable en circuit intégré puisqu'il dépend seulement de la surfaoe de masques et non de paramètres technologiques En outre, puisque les deux transistors élémentaires E 2 B 2 C' et E 1 BîC' sont réalisés dans un même caisson, ces deux transistors verront leurs para- mètres varier de la même façon en fonction des variations de5 température et le rapport entre le gain du transistor selon l'invention et le gain du transistor classique restera constant avec les variations de température. Ainsi, la présente invention propose un nouveau type de composant bipolaire constituant un transistor de gain déterminé et ajustable par rapport aux autres transistors du circuit On pourra si on le souhaite multiplier dans un même circuit intégré bipolaire des transistors de gains distincts ce qui permet à 1 'hanme de l'art de créer de nouveaux types de circuits de façon simple.15 Les figures 4 et 5 représentent en coupe et en vue de dessus une variante de la présente invention Les régions de base 7 et 11, au lieu d'être disjointes, sont adjacentes. A titre d'exemple de niveaux de dopage, on pourra pré- voir, pour les diverses régions d'un transistor selon l'inven- tion les niveaux de dopage ou valeurs de résistance (r) en ohms par carré et profondeur de jonction (x) en micromètres, les valeurs suivantes: collecteur 2 de type N: 2 1015 at /cm 3 base 7 de type P (hors zone d'émetteur): r = 130, x = 3 base 11 de type P+ (hors zone d'émetteur): r = 10, x = 6 à 15 émetteur 8 et 12 de type NF: r = 5, x = 2,8 Avec des valeurs de cet ordre, le transistor El B 1 C' a un gain de l'ordre de 50 à 500 et le transistor E 2 B 2 C' un gain inférieur à 0,1.30 Le rapport entre les quantités de dopant dans les bases 11 et 8 pourra atteindre des valeurs de l'ordre de 1000. Bien entendu, la présente invention est susèptible de nombreuses variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art Notam- ment, tous les perfectionnements habituellement appliqués aux structures de transistors NPN pourront être utilisés Par exemple, alors que seules des structures classiques de caissons bipolaires à isolement par jonction ont été représentées ici, l'invention s'appliquerait également à des caissons isolés par diélectrique De plus, chacun des éléments a été décrit et représenté de façon simplifiée Ainsi, il existera généralement des couches superficielles d'isolement non représentées et éven- tuellement des régions surdopées de reprise de contact REVEND ICAT IONS 1 Circuit intégré bipolaire à caissons ( 2) d'un pre- mier type de conductivité formés dans un substrat ( 1) du deu- xième type de conductivité, comprenant dans des premiers caissons des premiers transistors (EBC) dont le caisson consti- 5 tue le collecteur à l'intérieur duquel est formée une région de base ( 7) du deuxième type de conductivité contenant elle-même une région d'émetteur ( 8) du premier type de conductivité, caractérisé en ce qu'il comprend, dans au moins un deuxième caisson formant collecteur, un deuxième transistor (E'B'C') constitué d'un troisième transistor élémentaire (E 1 B 1 C') compre- nant des régions de même dopage que les premiers transistors et d'un quatrième transistor élémentaire (E 2 B 2 C') ayant une région de base ( 11) à niveau de dopage élevé devant celui des bases des premiers transistors et une région d'émetteur ( 12) de même niveau de dopage que celui des premiers transistors, les émet- teurs et les bases des troisième et quatrième transistors étant interconnectés et constituant respectivement l'émetteur et la base du second transistor. 2 Circuit intégré bipolaire comprenant, dans des caissons isolés ( 2) formant collecteur, des premiers transistors (EBC), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième transistor (E 'B'C) présentant par rapport aux premiers un gain en courant dans un rapport de l/k+ 1, ce deuxième transistor étant constitué par la connexion en parallèle d'un troisième (El Bl C') et d'un quatrième (E 2 B 2 C') transistor élémentaire formés dans un même caisson de collecteur, le troisième tran- sistor étant identique aux premiers et le quatrième transistor ayant une base ( 11) très fortement dopée par rapport aux premiers et un émetteur de même dopage, la surface d'émetteur du quatrième transistor étant k fois plus grande que celle du troisième. il 3 Circuit intégré bipolaire selon 1 'une des revendications 1 et 2, dans lequel les caissons sont isolés par jonction et le fond de chaque caisson comprend une couche enterrée du premier type de conductivité à haut niveau de 5 dopage. 4 Circuit intégré bipolaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les bases des quatrièmes transistors sont mille fois plus dopées par unité de surface que les bases des premiers transistors.10 5 Circuit intégré bipolaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les bases des troisième et quatrième transistors sont adjacentes.