Transistors à effet de champ à grille ultracourte

Patentamt
J êE u r :o p European
a i s c h e sPatent Office
(n) Numéro de publication:
051
B04
A1
Office européen des brevets
JEMANDE
0
DE BREVET E U R O P E E N
n) Numéro de dépôt: 81401504.6
3) Date de dépôt: 29.09.81
S) Priorité: 31.10.80 FR 8023385
«) Date de publication de la demande:
12.05.82 Bulletin 82/19
S) Etats contractants désignés:
DE GB IT NL
© Int. Cl.3: H 01
H 01
L 29/10
L 29/80,
H 01
L 29/36
î) Demandeur: THOMSON-CSF
173, Boulevard Haussmann
F-75360 Paris Cedex 08(FR)
2) Inventeur: Etienne, Patrick
THOMSON-CSF SCPi - 173, bld Haussmann
F-75360 Paris Cedex 08(FR)
[2) Inventeur: Nuyen, Trong Linh
THOMSON-CSF SCPI - 173, bld Haussmann
F-75360 Paris Cedex 08(FR)
tt) Mandataire: Taboureau, James et al,
Thomson-CSF SCP1 173, boulevard Haussmann
F-75360 Paris Cedex 08(FR)
@ Transistors à effet de champ à grille ultracourte.
L'invention concerne les transistors à effet de champ, et
plus particulièrement ceux qui travaillent à de très hautes
fréquences.
Selon l'invention, le transistor à effet de champ a une
structure verticale, comportant une électrode d'accès, source
ou drain, sur chacune des deux faces de la plaquette
substrat. La grille est constituée par une épaisseur de couche
épitaxiale de type N, comprise entre deux couches de type
N+. L'épaisseur de grille est donc limitée par l'épaisseur de
couche épitaxiale que l'on sait réaliser, de l'ordre de
quelques centaines d'angstrôms. Le contact de grille est pris
biseautés de la
par des métallisations latérales, sur les flancs
couche épitaxiale.
Application aux transistors hyperfréquences pour télécommunications.
La présente
invention
les dispositifs
concerne
à semiconducteurs
de
type transistors à effet de champ, et plus s p é c i a l e m e n t ceux dont les g r i l l e s
sont plus courtes que le libre parcours moyen des électrons dans le m a t é r i a u
semiconducteur.
à effet
Les transistors
de champ connus fonctionnent
soit selon u n e
structure plane, le courant circulant dans le plan de la pastille de m a t é r i a u
selon
soit
semiconducteur,
structure
une
le courant
verticale,
circulant
p e r p e n d i c u l a i r e m e n t à ce même plan.
Les
transistors
MESFET
(de
Schottky
Metal
l'anglais
Field
effect.
Transistor), ayant une structure dite planar, possèdent sur la face libre de la
les c o n t a c t s
plaquette
ohmiques source et drain et le contact Schottky d e
de bonnes p e r f o r m a n c e s
grille. Les MESFET p r é s e n t e n t
ainsi
d'hyperfréquences
d'améliorer
temps
que
dans
leurs c a r a c t é r i s t i q u e s
les
dans
circuits
logiques.
à très haute
fréquence
n'est
pas
afin
Cependant,
ou à très
faible
il faut réduire la longueur de la grille jusqu'à d e s
de c o m m u t a t i o n ,
dimensions de 0,1 micron ou moins. Une telle réduction
grille
les d o m a i n e s
aisée
en
technologie
et
"planar",
de la longueur d e
est
limitée
par
les
techniques de m a s q u a g e .
Le Gridistor (Brevet Français n° 1 317 256 du 16 décembre 1961 et ses
additions)
verticale
est
transistor
un
possédant
à effet
de
champ
à
jonction,
un grand nombre de grilles en parallèle.
dispositif développant
beaucoup
de puissance.
à structure
C'est donc un
Mais sa fréquence
de f o n c -
tionnement est basse en raison des capacités parasites élevées et d'une f o r t e
résistance de grille. De plus, par sa structure,
plus la longueur de grille e s t
faible, plus cette résistance est f o r t e .
C'est
communs
pour
de
pallier
type
fonctionnement,
les
MESFET
inconvénients
et
Gridistor,
rencontrés
notamment
dans
en
les t r a n s i s t o r s
fréquence
de
que de nouvelles structures de transistor à effet de c h a m p
ayant de très courtes longueurs de grille et de faibles résistances de grille e t
d'accès de source et de drain ont été mises au point.
à effet
Les t r a n s i s t o r s
une s t r u c t u r e
verticale,
de champ selon l'invention
f o n c t i o n n e n t selon
à celle qui a été exposée
comparable
au sujet du
gridistor.
la longueur de grille, dans les t r a n s i s t o r s
Cependant,
est
beaucoup
plus
faible
que
dans
le
gridistor,
selon l'invention
que
parce
l'invention
s ' a f f r a n c h i t des grilles de type P incluses entre deux couches de type N p a r
diffusion, soit une longueur de grille de l'ordre de la longueur de diffusion.
La longueur
couche épitaxiale,
de grille, dans l'invention, est limitée à une épaisseur de
que l'on sait réaliser très
mince,
l'effet
par
centaines
d'angstrôms,
et
dépeuplée
en électrons,
est obtenue
de
grille,
de l'ordre de q u e l q u e s
située
par une m é t a l l i s a t i o n ,
plan de la couche de grille mais l a t é r a l e m e n t ,
d'une
pincement
en c o n t a c t
zône
dans le
électrique
avec
elle, et qui p e r m e t d'appliquer la tension de contrôle dé g r i l l e .
De façon
l'invention
plus précise,
champ, à grille ultra courte,
concerne
un t r a n s i s t o r
à effet
de
par un substrat f o r t e ment dopé de type N+, une première couche épitaxiale dopée de type N au
niveau de 1018 at.cm-3 environ, une seconde couche é p i t a x i a l e active d o p é e
de
épitaxiale
dopée de type
deux c o n t a c t s
troisième
contact
couche
at.cm-3 e n v i r o n ,
et une t r o i s i è m e c o u c h e
N+ au niveau de 1018 a t c m - 3 environ, ainsi q u e
niveau ≤ 1 0 1 5
N au
type
supportées
comportant
électriques
couche,
de source et de drain, le premier
le second
déposé
sur
la face
libre
du
déposé sur l a
substrat,
et
un
de grille, ce transistor étant c a r a c t é r i s é en ce que l'épaisseur de l a
active est inférieure au libre parcours moyen des électrons dans
cette c o u c h e .
L'invention
sera
mieux comprise
par la description
d'un exemple
de
réalisation, laquelle s'appuie sur des figures parmi l e s q u e l l e s :
- La figure
1, r e p r é s e n t e
une coupe s c h é m a t i q u e
d'un MESFET selon
l'art c o n n u ;
- La
électrons
figure 2 r e p r é s e n t e
en fonction
conducteur;
le diagramme de variation de la vitesse des
de la distance
parcourue,
dans
un
matériau
semi-
- La figure
3 représente
d'un Gridistor
une coupe schématique
selon
l'art c o n n u ;
- La figure 4 r e p r é s e n t e la répartition de la c o n c e n t r a t i o n en é l e c t r o n s
dans une s t r u c t u r e
multicouche où la couche centrale f a i b l e m e n t dopée e s t
i n t e r c a l é e entre deux couches fortement dopées;
La
-
figure
5 représente
en
schématique,
coupe
un
exemple
de
transistor à grille ultra courte selon l'invention.
La figure
1 représente
la coupe schématique
d'un transistor
MESFET
selon l'art connu : de façon à se rapprocher du domaine de l'invention, c e l u i
des h y p e r f r é q u e n c e s , le matériau choisi pour cet exemple est parmi d ' a u t r e s
possibles, l'arséniure de g a l l i u m .
Sur un substrat
GaAs de type
1 en GaAs semi-isolant
N. Les c o n t a c t s
déposés par métallisation.
tension
de contrôle,
l'épaisseur
dépend
est déposée
3 de source
ohmiques
et
une couche 2 en
4 de drain
sont
Par l'intermédiaire de la grille 5, soumise à une
se développe
de la tension
une région
grille.
de charge
Le courant
6 dont
d'espace
source-drain
est donc
modulé par la tension grille. La structure est dite p l a n a r .
La fréquence de f o n c t i o n n e m e n t ou le temps de c o m m u t a t i o n
type de transistor, dépend du temps de transit des électrons
de c e
sous la grille.
Or ce temps de transit est d'autant plus faible que la grille est plus courte. Il
est donc avantageux de réduire la longueur de la grille. Cette réduction e s t
i n t é r e s s a n t e que, pour de très courtes longueurs de grille
0
0
(quelques centaines d'A à quelques milliers d'A selon le dopage du m é -
d'autant
plus
riau) un phénomène
physique,
appelé transport balistique,
doit être pris en
compte.
Le
suit :
comme
champ
transport
balistique
on peut
électrique,
des
définir
électrons
peut
pour un électron,
se décrire
succintement
en d é p l a c e m e n t
sous un
un libre parcours moyen tenant compte des collisions de
cet électron dans le réseau cristallin : collision avec les impuretés, avec les
phonons,
que
le
etc...
libre
Lorsque la distance
parcours
moyen,
parcourue par l'électron
l'électron
atteint
une
est plus faible
vitesse
maximale,
supérieure à celle qu'il possède après collisions, car à chaque collision il p e r d
de l ' é n e r g i e .
La figure 2 r e p r é s e n t e ce phénomène, dans lequel
est la vitesse e n
v
régime d'équilibre et v max est la vitesse maximale a t t e i n t e en r é g i m e
balistique. Selon le champ électrique appliqué, la vitesse vmax peut être d e
3 à 10 fois la vitesse v . En d'autres termes, lorsque la longueur de g r i l l e
est s u f f i s a m m e n t faible pour que le transport balistique ait lieu, le temps de
des électrons
transit
fonctionne
sous la grille
à très
alors
haute
extrêmement
est
de coupure
fréquence
court.
Le t r a n s i s t o r
ou, pour les c i r c u i t s
logiques, à de très faibles temps de c o m m u t a t i o n .
Il est donc utile de réduire
la longueur de grille des MESFET jusqu'à
des dimensions voisine de 0,1 micron,
mais ceci nécessite
une t e c h n o l o g i e
assez lourde, et il est difficile d'envisager, des dimensions inférieures à 0,1
micron, au stade de l'art actuel de la technologie p l a n a r .
D'autre
part
on connait
le Gridistor
dont
la coupe
schématique
est
r e p r é s e n t é e sur la figure 3.
Sur un subtrat 7 en silicium de type N+ , f o r t e m e n t dopé, est d é p o s é e
une couche 8 en Si de type N. On implante ou diffuse alors dans la couche 8,
des grilles 9 de type P. On dépose ensuite s u c c e s s i v e m e n t les couches 10 d e
type N et 11 de type N+. On implante ensuite les caissons 12 de type P, qui
font
le
tour
du
transistor
afin
l ' i n t e r m é d i a i r e des métallisations
de
relier
les
grilles
elles.
9 entre
Par
13 et 14 on peut faire passer un c o u r a n t
entre source et drain. Ce courant est modulé par la tension grille. On p e u t
r e m a r q u e r que ce courant n'est pas dans le plan du substrat. Le Gridistor e s t
dit de s t r u c t u r e verticale par opposition avec la s t r u c t u r e planar b i e n
connue de l'homme de l ' a r t .
Par
parcourue
convention
par
les
on définit
électrons
sous
la longueur
la grille.
de grille
Dans
le
comme
cas
du
la d i s t a n c e
Gridistor
la
longueur de grille est donc l'épaisseur de la zone 8 implantée ou d i f f u s é e .
Par ailleurs la s t r u c t u r e du Gridistor permet de m e t t r e en parallèle p l u s i e u r s
grilles, ce qui est favorable à la réalisation d'un dispositif de puissance. Mais
plusieurs facteurs font qu'il est limité en fréquence de f o n c t i o n n e m e n t :
grille,
de type
P présente
une grande
résistance,
les c a p a c i t é s
la
parasites
crées par les caissons 12 et les plots de soudure des grilles sont très é l e v é e s
0
et enfin, la longueur de grille a t t e i n t difficilement quelques milliers d'A ; c e
qui est insuffisant pour b é n é f i c i e r du phénomène de transport balistique. D e
plus, une réduction de la longueur de grille p r o v o q u e r a i t u n e
de
notable
résistance.
sa
à la longueur
supérieure
les
Enfin,
de
grille,
couches
il s'y créé
8 et
des
augmentation
10 étant
d'épaisseur
résistances
parasites
d'accès RS et RD é l e v é e s .
Les transistors selon l'invention, ont une structure verticale comme le
Gridistor
mais
fréquences
présentent
progrès
d'importants
du f o n c t i o n n e m e n t ,
en
et une simplification
ce
qui
les
concerne
de réalisation
indus-
trielle.
En premier lieu, l'épaisseur de la couche active est faible, de l'ordre d e
afin d'être le siège du transport
plusieurs centaines d'angstrôms,
balistique
d'électrons.
En second
fortement
lieu,
dopées,
la couche
elles-mêmes
active
est
de faible
entre
comprise
épaisseur,
deux
couches
afin de minimiser
les
résistances d'accès RS et R D
En troisième lieu, la couche active est faiblement dopée, mais du f a i t
que cette couche est très mince et qu'elle est comprise entre des c o u c h e s
f o r t e m e n t dopées, la c o n c e n t r a t i o n en électrons dans la couche active e s t
élevée, plus élevée que la c o n c e n t r a t i o n en i m p u r e t é s .
Cette propriété est décrite sur la figure 4 : la ligne 15 (en trait plein)
représente
les niveaux
de
dopage
visés
théoriquement
dans
la s t r u c t u r e
N+ N N+, la ligne 16 (en traits tirés) représente le profil réel des i m p u r e t é s
compte tenu de la diffusion de ces impuretés entre couches, et la ligne
17
(en pointillé) représente le profil réel des électrons libres. La c o n c e n t r a t i o n
en électrons libres dans la région N peu dopée est plus forte que celle d e s
impuretés dopants : la région N gagne des électrons au dépend des r é g i o n s
N+. Une telle structure N+ N
N
présente par rapport à une structure où la
couche active N est i n t e n t i o n n e l l e m e n t
1017 at.cm-3,
non seulement
dopée à un niveau, par exemple, de
l'avantage d'être le siège du transport b a l i s t i -
que mais de faciliter la réalisation du t r a n s i s t o r .
La figure 5 représente,
sistor selon l'invention.
en coupe
schématique,
un e x e m p l e d e
tran-
18 en GaAs de type N+ f o r t e m e n t
Sur un substrat
dopé sont d é p o s é e s
par épitaxie une p r e m i è r e couche 19 de type N
1018 at.cm-3 d'épaisseur de 1000 à plusieurs milliers
successivement
dopée
quelques
d'Å
seconde
20 de
couche
1015 at.cm-3 et
type
de plusieurs
d'épaisseur
couche 21 de type
tuer un premier
contact
en
impuretés
d'A,
centaines
N+ dopée à quelques
Une métallisation
A environ.
concentration
N de
à
,une
d'environ
et une t r o i s i è m e
1018 at.cm-3 d'épaisseur
de
1000
22 est déposée sur la couche 21 pour c o n s t i -
ohmique,
source
ou drain.
Le second
contact,
23
drain ou source, est déposé sur l'autre face du substrat 18.
Par opération
sur le c o n t a c t
de lithographie
de l'homme de l'art,
connue
22 un plot de dimensions
latérale
D équivalente
on d é f i n i t
à environ
deux fois la profondeur des zônes dépeuplées d'électrons 27. Pour un d o p a g e
1015 at.cm-3 , la profondeur des zônes dépeuplées 27 est de 1 m i c r o n
environ. Une dimension de 2 microns est très f a c i l e m e n t
réalisable par l e s
opérations de lithographie c l a s s i q u e .
Par
gravure
ionique
on enlève
ensuite
la couche
21 sauf dans
les
parties situées en-dessous du contact 22. On a t t a q u e ensuite l'ensemble a v e c
une solution
chimique
de telle
façon que la couche 21 soit en r e t r a i t
par
rapport au c o n t a c t 22, et que la couche 20 soit p a r t i e l l e m e n t a t t a q u é e sur l a
moitié de son épaisseur environ. On peut choisir une orientation c r i s t a l l o g r a phique telle que cette
attaque chimique crée un plan incliné sur la c o u c h e
20. Les deux caissons 24 de haute r é s i s t i v i t é sont obtenus par b o m b a r d e m e n t
de particules chargées telles que par exemple les protons, la partie c e n t r a l e
étant protégée des protons par la m é t a l l i s a t i o n 22. On dépose ensuite l e s
deux métallisations
25 de grille
par évaporation.
Cette
évaporation
peut
être inclinée par rapport à la normale au plan du substrat de façon à ce q u e
les métallisations 25 recouvrent le flanc de la couche 20. L'épaisseur d e s
métallisations doit être plus faible que celle de la couche 20. Afin de r é d u i r e
la résistance de grille, on dépose une surépaisseur 26 de métallisation sur l e s
grilles.
La modulation du courant source-drain est obtenue par polarisation d e s
grilles 25, qui fait varier la profondeur des zônes de charge d'espace 27. Du
fait
que
centaines
les épaisseurs
d'Angstrôms)
des couches
la distance
20 et
25 sont
parcourue
par
très
faibles
les électrons
(quelques
sous
les
grilles
est très
faible
et le régime de transport
balistique
est obtenu.
Ce
régime est d'autant plus facile à atteindre que la c o n c e n t r a t i o n en i m p u r e t é s
dans la couche active 20 est faible. D'autre part, les capacités parasites s o n t
f o r t e m e n t diminuées grâce aux caissons 24.
Afin
de
mieux
contrôler
les
profils
d'impuretés
dans
la s t r u c t u r e
N+ N N+ on peut i n t e r c a l l e r entre les couches 19 et 20 et les couches 20 e t
21 une couche
mince
de l'ordre
de quelques
trôms et de dopage de l'ordre de 1017 a t . c m - 3 .
Ce type
riaux du type
d'épaisseur
de t r a n s i s t o r s
plus p a r t i c u l i è r e m e n t
GaAs et de la famille III-V, trouve
réalisé
centaines
d'angs-
avec des m a t é -
ses applications
dans
domaine des h y p e r f r é q u e n c e s , n o t a m m e n t pour les t é l é c o m m u n i c a t i o n s .
le
à effet
Transistor
1 -
de champ,
à grille
ultra
courte,
comportant
dopé de type N+, une p r e m i è r e
couche épitaxiale (19) dopée de,type N+ au niveau de 1018 at.cm-3 e n v i r o n ,
supportées
par un substrat
(18) f o r t e m e n t
une seconde couche épitaxiale active (20) dopée de type N au n i v e a u ≤ 1 0 1 5
at.cm-3 environ, et une troisième couche épitaxiale (21) dopée de type N+
au niveau de 1 0 1 8 a t . c m - 3
source et de drain,
environ,
ainsi que deux c o n t a c t s
électriques d e
(22) déposé sur la t r o i s i è m e couche (21), le
le premier
second (23) déposé sur la face libre du substrat (18), et un c o n t a c t de g r i l l e
(25), ce transistor étant c a r a c t é r i s é en ce que l'épaisseur de la couche a c t i v e
(20) est inférieure au libre parcours moyen des électrons dans cette c o u c h e .
2 - Transistor
à effet de champ selon la r e v e n d i c a t i o n
1, c a r a c t é r i s é
en ce que la troisième couche (21) et - p a r t i e l l e m e n t - la seconde couche (20)
est en saillie par rapport à la face supérieure du substrat et en ce que c e t t e
partie en saillie dégage des flancs qui sont en r e t r a i t de plusieurs c e n t a i n e s
d'angstrôms
par rapport
au dépôt métallique (22) qui recouvre la t r o i s i è m e
couche (21).
3 - Transistor
à effet de champ selon la r e v e n d i c a t i o n
en ce que le c o n t a c t
électrique
1, c a r a c t é r i s é
de grille (25) qui est en c o n t a c t
avec l a
couche active (20) a une épaisseur plus faible que la couche active (20).
4 - Transistor à effet de champ selon la r e v e n d i c a t i o n
3, c a r a c t é r i s é
0
en ce qu'une m é t a l l i s a t i o n (26) de forte épaisseur, plusieurs milliers d'A , e s t
déposée
sur
le
contact
de
grille
(25),
afin
de
diminuer
la
résistance
électrique de grille.
5 - Transistor
à effet de champ selon la r e v e n d i c a t i o n 2, c a r a c t é r i s é
en ce que, sous les plots servant à la soudure des c o n t a c t s électriques sur l a
métallisation (25), une région (24) est rendue s e m i - i s o l a n t e par i m p l a n t a t i o n
de particules c h a r g é e s .
6 - Transistor
à effet de champ selon la r e v e n d i c a t i o n
1, c a r a c t é r i s é
en ce qu'une couche d'épaisseur de 1000 A environ et dopage de type N a u
niveau de 1017 at.cm-3 environ, est intercallée entre les première (19) e t
seconde (20) couches é p i t a x i a l e s .
7 - Transistor
à effet de champ selon la r e v e n d i c a t i o n
1, c a r a c t é r i s é
en ce qu'une couche d'épaisseur de 1000 A environ et dopage de type N a u
niveau de 1017 at.cm-3 environ, est intercallée entre les seconde (20) e t
troisième (21) couches é p i t a x i a l e s .