FR2703512A1 - Structure d'un dispositif semi-conducteur de puissance du type vertical, normalement non passant et du type bipolaire. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une structure d'un dispositif semi-conducteur. Selon l'invention il comprend un substrat (1) d'un type de conductivité qui constitue une région de drain (2), au moins une tranchée creusée et à partir de la surface du substrat, au moins une région de source (3) du même type de conductivité que la région de drain, prise en sandwich par les tranchées, au moins une électrode isolée à potentiel fixe (6) dont le potentiel est fixé sur celui de la région de source et qui comporte un film isolant (5) couvrant toute la surface interne de la tranchée et un matériau conducteur (4), une région de canal (7) qui fait partie de la région de drain et qui est adjacente à la région de source et au moins une région d'injecteur (8), d'un type opposé de conductivité, formée sur la région de drain et qui est en contact avec le film isolant de l'électrode (6) sans contacter la région de source. L'invention s'applique notamment aux circuits intégrés.
Description
La présente invention se rapporte généralement à une structure d'un
dispositif semi-conducteur et, plus particulièrement, elle se rapporte à une structure d'un dispositif semi-conducteur de puissance du type vertical, normalement non passant et du type bipolaire.
Divers types de structures de dispositifs semi-
conducteurs en mode bipolaire ont été proposés Dans ce qui suit, on introduira, en tant que technique de base, trois
types de tels dispositifs semi-conducteurs.
(Première Référence): La structure du dispositif de cette première référence est décrite dans l'article intitulé "Characteristics of Trench j-MOS Power Transistors" de Bernard A Mac IVER,
STEPHEN J VALERI, KAILASH C JAIN, JAMES C ERSKINE, REBECCA
ROSSEN, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Volume 10, No 8,
pages 380 à 382, publié en Août 1989.
les figures 1 à 3 montrent la structure du dispositif
de cette première référence, prise de cet article.
La figure 1 est une vue en plan du dispositif Les figures 2 et 3 sont des vues en coupe transversale, faites suivant les lignes A-A' et B-B' de la figure 1, respectivement, et en regardant le long des flèches
accompagnant ces lignes.
Selon l'article mentionné ci-dessus, la totalité du matériau semiconducteur est du silicium Un substrat 81 du type n+ est une région de drain du type n+ Une région de canal 82, en une région du type n, est formée sur une surface principale du substrat 81 en une couche De plus, des régions de source 83 du type n+ sont formées à la surface de la région de canal 82 du type n Par ailleurs, comme le montre les figures 1 à 3, des tranchées sont creusées à partir de la surface du dispositif, arrangées en raies Les surfaces latérales de ces tranchées sont à peu près verticales et
leurs fonds atteignent le substrat 81.
Des films isolants 84 sont formés sur la surface interne de chacune des tranchées respectives et du silicium conducteur polycristallin 85, remplissant l'intérieur des tranchées, constituent les électrodes de porte Une intercouche 86 couvre une surface supérieure du silicium conducteur polycristallin 85 L'unité constituée des articles 84, 85 et 86 sera appelée "porte isolée 87 " de ce dispositif, comme on peut le voir à la figure 3 Chacune des régions de source 83 du type n+ est prise en sandwich par les portes isolées 87 De même, comme le montrent les figures 1 et 2, une région 88 du type p est formée sur la région de canal et elle est placée adjacente aux portes isolées 87 Une électrode de source "S", faite d'une couche métallique 93, connecte chaque région de source 83 Une électrode en métal , qui est connectée à l'électrode de porte 85, sera appelée "porte MOS" (MOS = métal oxyde semi-conducteur), et l'électrode en métal 98 qui est connectée à la région 88 du type p est appelée "porte de jonction" Une électrode de drain "Dl' faite d'une couche métallique 91 est reliée à la région de drain 81, elle n'est pas décrite dans l'article mentionné ci-dessus mais elle est ajoutée sur ces illustrations pour une meilleure compréhension Tous les
contacts entre le métal et le semi-conducteur décrits ci-
dessus forment des contacts ohmiques.
La résistivité de la région de canal 82 est indiquée comme étant de 0,98 a-cm, ce qui correspond à une concentration en impuretés d'environ 5 x 1015 cm-3 La longueur L du canal que l'on peut voir à la figure 3 est de 6 Mm, l'épaisseur du canal a est de 3 pm et l'épaisseur b de
chaque porte isolée 87 est de 2 pm.
Le fonctionnement du premier dispositif de référence est le suivant En général, un potentiel positif est appliqué à l'électrode de drain 91 et l'électrode de source 93 est à la masse (à 0 V) Ce dispositif est un dispositif à quatre bornes qui a deux électrodes de commande, la porte IIMOSII 95 et la porte de jonction 98 Cependant, le dispositif peut fonctionner comme un dispositif à trois bornes pour
interconnecter les deux électrodes de commande.
La figure 4 montre les courbes caractéristiques I-V (courant de drain ID en fonction de la tension au drain:VD) de ce dispositif en tant que dispositif à trois bornes,
indiqué dans l'article ci-dessus.
Il y a plusieurs courbes tandis que le potentiel aux deux portes VG change de -16 V à O V par échelons de 2 V. Comme le montre la figure 4, on peut noter que ce dispositif est ce que l'on appelle un dispositif du type normalement passant Ce "dispositif du type normalement
passant" est généralement défini en tant que dispositif semi-
conducteur permettant un écoulement du courant principal lorsque sa porte de commande est à la masse Il faut également noter que, tandis que le potentiel de porte
augmente négativement, le courant de drain diminue.
Par ailleurs, la figure 5 montre les courbes caractéristiques I-V du même dispositif, fonctionnant en tant que dispositif à quatre bornes Sur la figure 5, le potentiel à la porte MOS est fixe et le potentiel à la porte de
jonction change.
Lors de l'application de + 16 V à la porte MOS, le dispositif atteint une très faible résistance à l'état
passant (la ligne de pente la plus à gauche sur la figure 5).
Ce phénomène provoque l'induction d'une couche d'accumulation sur l'interface des films isolants et la région de canal fonctionne comme un trajet de courant de faible résistance entre la région de drain 81 du type n+ et la région de source 83 du type n+ Dans ce cas, le potentiel à la porte de jonction affecte à peine les caractéristiques I- V du dispositif. Par contre, lorsqu'on applique -16 V à la porte MOS, les courbes caractéristiques I-V sont fortement affectées par
le potentiel à la porte de jonction.
Sur la figure 5, il y a plusieurs courbes caractéristiques I-V o le potentiel à la porte de jonction change de O à -3,5 V par échelons de 0,5 V. Dans ce qui suit, on décrira en détail l'état du dispositif dans ce cas (le potentiel à la porte MOS est de - 16 V) Dans le cas o le potentiel à la porte de jonction est de O V, la région linéaire des courbes caractéristiques dans le cas o le potentiel du drain est relativement faible, une région d'appauvrissement est produite adjacente à la porte MOS 95 dans la région de canal 82 par le potentiel négatif à la porte MOS et la couche d'inversion des trous est produite à la surface du film isolant dans la région de canal La couche d'inversion sert à faire obstruction à un champ électrique de l'électrode de porte 85 vers la région de canal, de manière que la grandeur de la largeur d'étalement de la couche d'appauvrissement soit maintenue dans une plage constante et soit différente du cas du JFET (Transistor à
effet de champ à jonction).
Dans le cas du dispositif décrit dans l'article ci-
dessus, cette largeur constante de la région d'appauvrissement peut être estimée comme étant d'environ 0,4 pm en utilisant les données présentées dans l'article La largeur totale de la région de canal neutre reste d'environ 2 pm Dans une telle situation, le courant principal s'écoule le long de la région de canal neutre Quand l'électrode de drain atteint un potentiel élevé, la région de canal se trouve à un "état pincé" comme dans le JFET à long canal, et la valeur du courant principal se sature comme le montre la figure 5 Ensuite, quand le potentiel à la porte de jonction augmente négativement, c'est-à-dire lors de l'application d'une polarisation inverse à la jonction entre la région 88 du type p et la région de canal 84, la région d'appauvrissement, s'étendant de cette jonction, atteint la surface de la porte isolée 87 Alors, une partie des trous dans la couche d'inversion à la surface du film isolant 84 de la porte isolée 87 s'écoule vers la région 88 du type p, provoquant un changement du potentiel de la couche d'inversion En d'autres termes, le potentiel à l'interface des films isolants est en synchronisme avec le potentiel à la porte de jonction 98 En plus de détail, quand la polarisation inverse de la jonction augmente, le potentiel à l'interface diminue et la région d'appauvrissement s'étend, la région de canal rétrécit et la valeur du courant principal augmente. Les avantages principaux du premier dispositif de référence, utilisé en tant que dispositif à quatre bornes, sont les suivants: ( 1) Faible résistance à l'état passant, ( 2) Grande conductance mutuelle (transconductance) grâce à la porte de jonction 98; ( 3) Fort gain de blocage; ( 4) Grande vitesse de commutation; ( 5) Possibilité de fonctionnement en tant que
dispositif semi-conducteur à trois bornes et ainsi de suite.
Cependant, le premier dispositif de référence ci-dessus
mentionné présente les limites suivantes.
D'abord, le premier dispositif de référence n'est pas approprié à une application nécessitant une grande tension de
rupture.
Comme on l'a décrit ci-dessus, le premier dispositif de référence forme une structure à faible résistance à l'état passant par le fait que chaque porte isolante 87 est en contact avec la région de source 83 du type n+ et le substrat 81 du type n+, il y a donc communication entre les deux régions du type n+ via la couche d'accumulation qui se forme le long des films isolants de porte 84 Une tension désignée de rupture du premier dispositif de référence est de 60 volts Cependant, il est impossible d'appliquer le premier dispositif de référence décrit ci- dessus à de plus fortes tensions requises de rupture car les portes isolantes 87 décrites ci-dessus sont en contact avec la région de drain
(substrat) 81 du type n+.
D'autre part, le premier dispositif de référence ci-
dessus décrit est essentiellement du type à quatre bornes Il est essentiellement inévitable que sa méthode d'attaque devienne complexe Bien que, comme on l'a décrit ci-dessus, ce dispositif puisse être utilisé en tant que dispositif à trois bornes avec la porte de jonction 98 et la porte MOS 95 interconnectées, on ne peut obtenir une faible résistance à l'état passant, comme on peut le noter par une comparaison des figures 4 et 5, ce qui est un avantage de l'utilisation
de ce premier dispositif ci-dessus décrit en mode semi-
conducteur à trois bornes.
Enfin, ce dispositif de référence a sa caractéristique normalement passante et, par conséquent, son courant principal s'écoule naturellement lorsqu'aucun signal de
commande ne lui est appliqué.
(Deuxième Référence).
Le dispositif de la deuxième référence est décrit dans une première publication d'une demande de brevet au Japon No 57-172765 publiée le 23 Octobre 1992 intitulée
"Electrostatic Induction Thyristor".
La figure 6 est une vue en coupe transversale de ce deuxième dispositif de référence de cette publication Pour permettre de comprendre que cette structure a une porte isolée à tranchées en forme de "U', la figure 6 montre trois unités séquentielles telles que celles décrites dans la
demande ci-dessus mentionnée.
Sur la figure 6, un substrat 61 du type p+ est une région d'anode Une région de base 62 du type n est formée sur la région 61 du type p+ Par ailleurs, la région de cathode 63 du type n+ est formée sur la région de base 62 du type n- Des tranchées sont creusées à partir de la surface de la région de base 62 du type n- Le film isolant 64 est formé sur la surface interne des tranchées de façon à atteindre la région de base 62 du type n- Des films isolants 64 sont formés sur la surface interne des tranchées de façon à atteindre la région de base 62 du type n- Les électrodes de porte sont formées de métal 65 sur les films isolants 64 et qui sont en interconnexion De même, des régions de porte 68 du type p+ sont formées sur les interfaces entre chaque région de base 62 du type n et les films isolants 64, au fond des tranchées Elles relient chacun des métaux d'électrode de porte 65 par les trous de contact au fond des tranchées Une électrode d'anode 71 et une électrode de cathode 73 sont reliées à la région d'anode 61 du type p+ et aux régions de cathode 63 du type n+, respectivement Ces contacts entre le métal et le semi-conducteur sont des contacts ohmiques La région du type n prise en sandwich entre les parois latérales des tranchées est appelée "région de canal" L'électrode de porte 65 sur le film isolant 64
sert de "porte isolée" pour la région de canal.
En général, un potentiel positif est appliqué à l'électrode d'anode 71 et l'électrode de cathode 73 est à la masse (à O V) L'état non passant du dispositif est maintenu par l'application d'un potentiel négatif à l'électrode de porte afin de produire la région d'appauvrissement pour la barrière de potentiel, contre les électrodes conductrices En effet, ce dispositif est du type normalement passant, de la
même manière que le premier dispositif de référence.
Pour mettre le dispositif en circuit, le potentiel à
l'électrode de porte 65 est mis à un potentiel positif.
Alors, la région d'appauvrissement dans la région de base disparaît et les canaux s'ouvrent En même temps, la couche d'accumulation d'électrons se produit à la surface des films isolants dans la région de canal, devant la région de cathode du type n+, et ce phénomène accélère la mise en circuit du dispositif La distance entre la porte isolée et le trajet de courant principal doit être plus petite que la longueur de diffusion des porteurs pour obtenir cet effet De même, le temps de mise en circuit de cette structure est plus rapide qu'avec un autre thyristor à induction électrostatique générale qui n'a pas cette structure de porte isolée en forme de U parce que la couche d'accumulation a une grande conductivité et que le courant de porte peut s'écouler plus rapidement. Après mise en circuit du dispositif, l'état passant du dispositif est maintenu sans aucun signal de porte Pour mettre le dispositif hors circuit, on applique un potentiel négatif à l'électrode de porte pour aspirer les porteurs minoritaires en excès dans la région de base et produire à
nouveau la région d'appauvrissement dans la région de canal.
Le point principal de ce dispositif est l'addition de la porte isolée synchronisée avec la porte de jonction 68 dans le thyristor à induction électrostatique Cela permet d'obtenir les avantages suivants: ( 1) Court temps de mise en circuit grâce à l'aide de la couche d'accumulation; ( 2) Court temps de mise hors circuit dérivé de la région d'appauvrissement produite qui est adjacente au film
isolant, ce qui accélère le pincement du courant principal.
Mais, cette structure présente les divers inconvénients
qui suivent.
D'abord, c'est un dispositif normalement passant qui
est le même que le premier dispositif de référence.
Deuxièmement, après mise en circuit du dispositif, il conserve l'état passant sauf lorsque l'on applique un signal de mise hors circuit, qui est l'une des caractéristiques essentielles du thyristor L'inconvénient final se rapporte à la caractéristique essentielle de ce dispositif, du point de vue fabrication Dans cette structure, le trou de contact pour la région de porte du type p+ et l'électrode de porte doit être formé au fond d'une tranchée profonde Et pour un gain suffisant de blocage, le dispositif doit avoir une tranchée dont la profondeur est de plusieurs pm Même si la largeur de la tranchée est considérable, et que le rapport d'aspect de la tranchée est d'une faible valeur, il est très difficile de former un trou de contact au fond de la tranchée par des techniques générales de fabrication des circuits intégrés La difficulté augmente lorsque l'on rétrécit le motif du dispositif afin d'augmenter la capacité de transport
de courant de ce dispositif.
Troisième Référence.
On décrira maintenant le dispositif de la troisième référence Ce dispositif est un IGBT (Transistor Bipolaire à Porte Isolée) ayant une porte isolée en forme de "U" Il est, par exemple, décrit dans l'article intitulé " 500-V n-channel Insulated Gate Bipolar Transistor with a Trench Gate Structure", de H R CHANG, B, JAYANT, BELIGA, IEEE TRANSACTION OF ELECTRON DEVICES, VOL 36 No 9, September 1989. La figure 7 est une vue en coupe transversale de la structure de ce troisième dispositif de référence La région de substrat du type p+ est la région de collecteur du dispositif La couche de dérive 41 du type N est formée sur la région du type p+ en une couche La région de base du type p est formée sur la région 41 du type n, également en une couche Des tranchées sont creusées à partir de la surface de la région du type p pour atteindre la région du type n Les films isolants 44 sont formés sur la surface interne des tranchées et chaque tranchée est remplie d'une région de silicium polycristallin 45 qui est l'électrode de porte Les films isolants intercouche 46 couvrent la surface supérieure de chaque électrode de porte 45 L'unité se compose des films isolants 44, de l'électrode de porte 45 et du film isolant intercouche 46 et on l'appellera "porte isolée 47 " du dispositif Les régions d'émetteur 43 du type n+ sont formées sur la région de base du type p qui touchent la surface du film isolant 44 L'électrode de collecteur 50 contacte la région de collecteur 40 et l'électrode d'émetteur 53 contacte la région d'émetteur 43 et la région de contact 48 du type p+ formée sur la région de base Ces contacts entre un métal et un semi- conducteur forment des contacts ohmiques La région
"ch", indiquée en pointillés sur la figure 7 forme le canal.
En général, on applique un potentiel positif à l'électrode de collecteur et l'électrode d'émetteur est à la masse (à O V) Quand l'électrode de porte est à la masse, le canal est fermé et le courant principal ne s'écoule pas Par conséquent, ce dispositif est d'un type normalement non passant Pour le rendre passant, un potentiel positif prédéterminé est appliqué à l'électrode de porte Alors, il y a production, à la surface des films isolants, d'une couche d'inversion à proximité de la région de base du type p, ce qui signifie que le canal s'ouvre et que les électrons s'écoulent de la région d'émetteur du type n+ jusqu'à la région de dérive du type n Ces électrons réduisent la barrière de potentiel entre la région de dérive du type N et la région de collecteur du type p+, provoquant l'injection de trous de la région du type p+ à la région de dérive du type n La conductivité de la région de dérive du type n, dont la concentration en impuretés est à un très faible niveau afin de résister à une haute tension prédéterminée de rupture, est modulée et le courant principal s'écoule à une très faible résistance à l'état passant Pour mettre le dispositif hors circuit, l'électrode de porte est tout simplement mise à O V et il n'est pas nécessaire d'appliquer une tension négative,
comme dans les première et deuxième référence citées ci-
dessus Selon cette opération, le canal se ferme et le courant s'arrête Par conséquent, l'injection des trous
s'arrête Donc tout le courant s'arrête.
Les avantages de cette troisième référence sont les suivants:
( 1) Caractéristique normalement hors circuit.
( 2) Pas besoin de tension négative pour mise hors circuit. ( 3) Dispositif de contrôle de tension, c'est-à-dire
qu'il a une grande impédance d'entrée.
( 4) Pas de limite sur la minimisation du motif pour
augmenter la capacité d'attaque de courant.
D'autre part, il y a certains points faibles comme suit:
D'abord, cette structure a un dispositif parasite.
Comme le montre la figure 7, la région de collecteur 40 du type p+, la région de dérive 41 du type n, la région de base du type p et la région d'émetteur n+ constituent une structure de thyristor p-n-p-n Cela signifie qu'il y a une possibilité de mise en circuit du thyristor parasite par un changement très brusque du potentiel au collecteur ou bien une fourniture excessive de courant des trous Si cela se produit, l'électrode de porte perd sa capacité de contrôle du courant. Ensuite, les caractéristiques I-V présentent
essentiellement une limite de la résistance à l'état passant.
Comme ce dispositif a une jonction p-n dans le trajet de courant principal, le courant principal ne peut s'écouler quand le potentiel au collecteur est en dessous de 0,7 V. Cette limite existe également dans le dispositif de la
deuxième référence de la figure 6.
Comme on l'a décrit ci-dessus, le dispositif de la première référence a une très faible résistance à l'état passant mais il présente des limites lors de l'augmentation de la capacité de courant de la puce et lors de
l'augmentation de la tension de rupture.
Le dispositif de la deuxième référence ne présente aucune limite pour la capacité de résister à une grande polarisation inverse, mais il pose un problème concernant la
miniaturisation pour augmenter sa capacité de courant.
De plus, le dispositif de la troisième référence est très facile à faire fonctionner à cause de sa caractéristique normalement non passante et de sa caractéristique de contrôle
de tension Mais il a un dispositif parasite.
Par ailleurs, les deuxième et troisième références présentent des limites en ce qui concerne la faible
résistance à l'état passant.
La présente invention a par conséquent pour objet de procurer une nouvelle structure de dispositif ayant une caractéristique normalement non passante, une faible résistance à l'état passant, une bonne contrôlabilité, et qui
permet de résoudre les problèmes décrits ci-dessus.
L'objectif ci-dessus peut être atteint en prévoyant une structure d'un dispositif semi-conducteur selon la présente invention comprenant a) un substrat semi-conducteur d'un type de conductivité, qui constitue une région de drain; b) au moins une tranchée creusée à partir de la surface dudit substrat; c) au moins une région de source ayant le même type de conductivité que ladite région de drain, qui est formée sur un substrat principal et qui est construite de façon à être prise en sandwich par ladite tranchée; d) au moins une électrode isolée à potentiel fixe, dont le potentiel est fixé au potentiel de ladite région de source, et qui comporte un film isolant couvrant toute la surface interne de la tranchée et un matériau conducteur ayant une il fonction de travail afin de former une région d'appauvrissement dans ladite région de drain, à proximité dudit film isolant; e) une région de canal qui fait partie de ladite région de drain, qui est adjacente à ladite région de source et qui est construite de façon à être prise en sandwich par ladite tranchée; et f) au moins une région d'injecteur ayant un type de conductivité opposé, qui est formée sur ladite région de drain et qui est en contact avec ledit film isolant de ladite électrode isolée à potentiel
fixe sans contacter ladite région de source.
L'état non passant dudit dispositif semi-conducteur est maintenu par l'ajustement du potentiel de ladite région d'injecteur de façon qu'il soit le même que celui de ladite région de source Alors, la barrière de potentiel contre les porteurs majoritaires de la région d'épuisement se forme dans la région de canal, donc ladite région de source se trouve électriquement déconnectée de la région neutre de ladite
région de drain Et la mise en circuit dudit dispositif semi-
conducteur est réalisée par l'application d'un potentiel prédéterminé à ladite région d'injecteur Alors, les porteurs minoritaires sont introduits à l'interface dudit film isolant, parce que ladite région d'injecteur contacte l'interface Les porteurs minoritaires forment une couche d'inversion qui isolent le champ électrique de ladite électrode isolée à potentiel fixe vis-à-vis de la région de canal afin de réduire la hauteur de ladite barrière de potentiel Ainsi, ladite région de source se trouve connectée électriquement à ladite région de drain Par ailleurs, la conductivité de la région de drain est augmentée par l'injection de porteurs minoritaires provenant de ladite
région d'injecteur dans ladite région de drain.
L'idée de base de la présente invention est, par conséquent, de contrôler la condition du canal non pas par le potentiel à l'électrode isolée mais par le potentiel à la couche d'inversion à la surface du film isolant qui couvre l'électrode isolée Le potentiel à l'électrode isolée est fixé selon celui de la région de source mais l'électrode isolée fonctionne virtuellement comme une porte du canal du fait du potentiel à la couche d'inversion en synchronisme avec le potentiel à la région d'injecteur qui touche la
surface du film isolant.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci
apparaîtront plus clairement au cours de la description
explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: les figures 1 à 3 sont une vue en plan et des vues en coupe transversale du premier dispositif de référence décrit ci-dessus; les figures 4 et 5 sont des courbes caractéristiques de la tension en fonction du courant dans le cas du premier dispositif de référence montré aux figures 1 à 3; la figure 6 est une vue en coupe transversale du deuxième dispositif de référence décrit ci-dessus; la figure 7 est une vue en coupe transversale du troisième dispositif de référence décrit ci-dessus; la figure 8 est une vue en perspective d'une structure d'un dispositif semi- conducteur d'un premier mode de réalisation de la présente invention; la figure 9 est une vue en coupe transversale de la structure du dispositif semi-conducteur de la figure 8, faite suivant la ligne A-A' de la figure 10; la figure 10 est une vue en coupe transversale de la structure du dispositif semi-conducteur qui représente un motif de surface, faite suivant la ligne A-A' de la figure 9; la figure 11 est une vue en coupe transversale de la structure du dispositif semi- conducteur, faite suivant la ligne B-B' de la figure 10; la figure 12 représente la distribution de potentiel dans la région de canal le long de la ligne C-C' de la figure ; la figure 13 est un diagramme des relations entre la concentration en impuretés, l'épaisseur du film isolant et l'épaisseur du canal dans les régions de canal du premier mode de réalisation des figures 8 à 11; la figure 14 est un diagramme tridimensionnel de la distribution de potentiel dans les régions de canal du premier mode de réalisation préféré des figures 8 à 11; la figure 15 est une vue en coupe transversale d'une variante d'une structure de surface du premier mode de réalisation préféré, dans la même situation que sur la figure 9; la figure 16 est une vue en coupe transversale d'une autre modification d'une structure de surface du premier mode de réalisation préféré selon la présente invention, que l'on peut voir aux figures 8 à 11; la figure 17 est une vue en coupe transversale d'une structure d'un dispositif semi-conducteur d'un second mode de réalisation préféré de la présente invention; la figure 18 est une vue en coupe transversale d'une modification du second mode de réalisation préféré, montré à la figure 17; les figures 19 à 24 sont des vues en perspective des stades successifs du procédé de fabrication du dispositif semi-conducteur du mode de réalisation de la présente invention, permettant de réaliser une modification de la structure de base du dispositif; les figures 25 à 27 sont des vues en coupe transversale d'unepartie des états successifs du procédé de fabrication du dispositif semi-conducteur du mode de réalisation selon la présente invention, permettant de réaliser une modification de la structure de base du dispositif; les figures 28 à 31 sont des vues en coupe transversale d'une partie des stades successifs du procédé de fabrication du dispositif semi-conducteur de la présente invention, permettant de réaliser une autre modification de la structure de base du dispositif; la figure 32 est une vue en coupe transversale d'un
exemple d'une structure périphérique du dispositif semi-
conducteur selon la présente invention; et la figure 33 est une vue en coupe transversale d'un autre exemple de la structure périphérique du dispositif
semi-conducteur selon la présente invention.
On décrira maintenant, en se référant aux figures 8 à 11, un premier mode de réalisation préféré d'une structure
d'un dispositif semi-conducteur selon la présente invention.
Sur les figures 8 et 10 est montrée la structure du dispositif semiconducteur à l'exception d'une électrode de
surface (film métallique).
En effet, la figure 10 montre une vue en coupe transversale faite suivant la ligne A-A' de la figure 9, verticalement à partir de la surface du papier de la figure 9 Celle-ci montre une vue en coupe transversale verticale le long de la ligne A-A' de la figure 10 La figure 11 est également une vue en coupe transversale verticale le long de la ligne B-B' de la figure 10 Comme pour la figure 9, la vue en coupe transversale le long de la ligne B-B' de la figure 11 correspond à la figure 10 Il faut noter que dans le premier mode de réalisation, le matériau semi-conducteur est
du silicium.
On décrira ci-dessous, en se référant aux figures 8 à 11, la structure du dispositif semi-conducteur de ce premier
mode de réalisation.
Sur les figures 8 à 11, un substrat semi-conducteur 1 du type n+ a deux surfaces principales La région 2 de drain du type N est la couche formée sur l'une des surfaces principales du substrat 1 La concentration en impuretés dans la région de drain 2 est à un faible niveau pour résister à une haute tension Il y a plusieurs tranchées droites qui sont creusées à la surface de la région de drain 2 et leurs surfaces latérales sont à peu près verticales et elles sont arrangées en raies Il y a également plusieurs régions de source 3 du type n+ qui se trouvent au sommet de la région de drain 2 et elles sont prises en sandwich par les tranchées en raies Des films isolants 5 couvrent toutes les surfaces internes des tranchées et celles-ci sont remplies de régions 4 en silicium polycristallin du type p+ Le potentiel des régions 4 est fixe par rapport à celui des régions de source 3 du fait du métal de source 13 qui relie ces deux types de régions, comme le montre la figure 9 Donc, l'unité comprenant la région 4 en silicium polyristallin du type p+ et le film isolant 5 dans une tranchée peut être appelée électrode isolée à potentiel fixe 6 La portion de la région de drain prise en sandwich par les électrodes isolées à potentiel fixe est appelée ci-après "canal" 7 Des régions d'appauvrissement sont formées dans la région du type N à proximité de l'électrode isolée à potentiel fixe du fait de la différence de valeur de fonction de travail entre la région de drain 2 du type N ou la région de canal 7 et la région en silicium polycristallin 4 du type p+ Une barrière pour les électrons conducteurs, qui constituent un courant principal, est formée dans la région de canal 7 par cette région d'appauvrissement La région de source 3 du type n+ et la région de drain neutre 2 sont initialement déconnectées
électriquement l'une de l'autre.
Par ailleurs, une région d'injecteur 8 du type p est formée à la surface du dispositif, laquelle forme une jonction p-n avec la région de drain 2 du type N et elle touche chaque film isolant 5 à chaque extrémité des tranchées, sans contacter les régions de source 3 du type n+ comme le montrent les figures 10 et 11 Sur la figure 11, la ligne en pointillé est en prévision de l'existence de l'électrode isolée à potentiel fixe au-delà de la région de
canal La couche 15 est un film isolant entre couches.
De plus, le métal d'électrode de drain 11 est relié au substrat 1 à sa surface inférieure Par ailleurs, le métal 18 qui est en contact avec la région d'injecteur du type p est appelé "électrode d'injecteur" Tous les contacts entre ces métaux et le semi-conducteur, comme on le décrira ci-dessous,
sont des contacts ohmiques.
La longueur indiquée par la lettre "L" dans le canal de la figure 9 est la distance entre la région de source et le niveau du fond de la tranchée le long de la surface latérale de celle-ci La longueur "L" sera appelée ci-après "longueur du canal" du dispositif Et de même, la longueur indiquée par la lettre "H", dans la même région de canal, est la distance entre les films isolants qui se font mutuellement face dans le canal La longueur "H" sera appelée ci-après "épaisseur du canal". Dans le premier mode de réalisation, chaque motif de surface des électrodes isolées à potentiel fixe 6 est en barre et un certain nombre de ces électrodes 6 sont agencées en raies Chaque extrémité des électrodes 6 touche la région d'injecteur 8 du type p Ainsi, un canal entouré de certaines électrodes isolées à potentiel fixe 6 et de certaines régions d'injecteur du type p peut former une "cellule unitaire" du dispositif (Dans le cas de la figure 10, il y a une quatre cellules unitaires) De cette façon, si la condition selon laquelle le canal peut interrompre ou contrôler le courant par sa propre condition est satisfaite, la forme en section transversale de l'électrode isolée à potentiel fixe et la forme de la région de source, dont les deux constituent une
cellule unitaire, peut être arbitraire.
Par exemple, la figure 15 montre un autre type de "cellule unitaire" qui est différent de celui de la figure Sur la figure 15, les extrémités des tranchées en forme de barre qui sont placées du même côté sont connectées mutuellement pour former les dents d'un peigne Le mérite de ce motif est que la région 8 du type p n'est nécessaire que d'un seul côté de la cellule unitaire, bien que le motif de la figure 10 nécessite deux régions du type p. Par ailleurs, le motif montré à la figure 16 peut également être appelé "une cellule unitaire" Dans ce motif, le point important est la forme de la région de source et les côtés externes de la tranchée peuvent être liés à des
cellules unitaires adjacentes.
Il faut noter que dans les vues des sections transversales des dispositifs semi-conducteurs, les coins du film isolant sont dessinés comme étant aigus Mais cela n'est pas essentiel pour la présente invention De tels coins peuvent souvent être ronds L'arrondissement des coins pour réduire la concentration du champ électrique est une
technique bien connue dans la technologie des semi-
conducteurs. Le fonctionnement du dispositif selon la présente invention sera expliqué ci-dessous et on expliquera également les conditions pour satisfaire la caractéristique normalement
hors circuit.
Un potentiel positif est appliqué à l'électrode de
drain D et l'électrode de source S est à la masse (à O V).
Quand le potentiel de l'électrode d'injecteur 18 est à la masse, le dispositif reste à l'état non passant Comme on l'a mentionné ci-dessus, la région de source 3 et la région de drain neutre 2 sont déconnectées électriquement l'une de l'autre par la région d'appauvrissement dans le canal qui est produite par la différence de valeur des fonctions de travail entre la région de l'électrode isolée à potentiel fixe du
type p+ et la région de canal du type n.
En général, dans une telle structure du type diode MOS, lorsqu'une forte polarisation inverse est appliquée à la structure pour étendre la région d'appauvrissement, la largeur de cette région est maintenue dans une certaine limite par l'existence d'une couche d'inversion à la surface du film isolant Quand la région d'appauvrissement est formée, des porteurs minoritaires, c'est-à-dire les trous, dans ce cas, y sont produits et ils se rassemblent à la
surface du film isolant pour former une couche d'inversion.
La couche d'inversion sert à protéger le champ électrique de l'électrode isolée vers la région de semi-conducteur Et, selon le rassemblement des trous, le potentiel de surface du film isolant peut augmenter Mais, avec la structure de la présente invention, le potentiel de surface est fixe et la région d'appauvrissement s'étend comme le potentiel appliqué parce que la région 8 du type p à la masse contacte la surface du film isolant 5, donc les trous rassemblés à la surface du film isolant 5 peuvent sortir par la région du type p. La structure du dispositif selon la présente invention doit satisfaire à deux conditions pour conserver les caractéristiques normalement hors circuit L'une concerne "l'épaisseur du canal" H qui a été définie ci-dessus et qui est représentée à la figure 9 et avec une densité d'impuretés de la région de canal La figure 12 montre la distribution calculée de potentiel dans le canal le long de la ligne C-C' de la figure 9 qui passe à peu près au centre du canal L'axe vertical de la figure 12 montre un potentiel d'énergie au milieu de la bande d'énergie "Le potentiel d'énergie au milieu de la bande d'énergie en mesurant à partir du niveau de Fermi" sera simplement appelé ci-après "potentiel" entre guillemets pour le distinguer d'un potentiel électrique Sur la figure 12, la distribution de potentiel a été calculée en supposant que le "potentiel" de la région du type p+ de l'électrode isolée à potentiel fixe était de 0,6 e V et que chaque film isolant 5 était fait de bioxyde de silicium ayant
une épaisseur de 100 nm.
Les lignes en pointillé sur la figure 12 indiquent les distribution de potentiel dans les films isolants La ligne
en trait mixte indique le niveau du potentiel du semi-
conducteur de la région de canal à son état neutre.
Sur la figure 12, quand le potentiel de l'électrode d'injecteur Vj est 0 V, le "potentiel" de toute la région du canal est positif, donc il ne peut y avoir d'électrons conducteurs Pour satisfaire une telle condition, la concentration en impuretés dans la région de canal ND, l'épaisseur du canal H et l'épaisseur du film isolant to X
doivent satisfaire aux formules suivantes.
D'abord, quand le "potentiel" de la région du type p de l'électrode isolée à potentiel fixe est représenté par P, et que le "potentiel" de l'interface entre le film isolant et la région de canal est représenté par Q, il faut satisfaire
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l'équation suivante ( 1) parce que le champ électrique dans le film isolant est constant:
EOX= P Q
tox o to X est l'épaisseur du film isolant et EOX est la
force du champ électrique.
D'autre part, comme la totalité de la région de canal à l'état hors circuit est appauvrie, la distribution de "potentiel" Vch peut être obtenue de façon approximative par une équation quadratique ( 2): Vch = q D X 2 + R ( 2) o q est l'unité de charge électrique, ssi désigne la permittivité du silicium, X désigne la distance entre le milieu et un point du canal, mesuré le long de la ligne C-C' sur la figure 9, et cela désigne la distance du centre de la "région 7 " jusqu'à un point dans toute direction de l'axe horizontal sur la figure 12, R désigne la valeur minimale du "potentiel" dans la région de canal et Q, c'est-à-dire le"potentiel" de l'interface entre la région de canal et le film isolant doit satisfaire à l'équation ( 3) qui suit = q N D (H/2)2 + R ( 3) 2 a si Le champ électrique à ce point Esi peut également s'exprimer comme suit:
= S D (H/2) ( 4)
Ssi Par ailleurs, comme le flux de champ électrique à toute limite doit être en général continu, il faut satisfaire l'équation ( 5) qui suit: SOX-E OX = S si E si ( 5) Dans l'équation ( 5), soy désigne la permittivité du film isolant, dans l'équation ci-dessus La figure 13 montre les relations entre ND, la densité des impuretés dans le canal et H, l'épaisseur du canal ainsi que t OX, l'épaisseur du film isolant permettant de satisfaire à toutes les équations ( 1) à ( 5) ci-dessus décrites Dans le cas du calcul de la figure 13, le "potentiel" de la région du type p de l'électrode isolée à potentiel fixe est de 0,6 e V, et R, le minimum du "potentiel" dans le canal, est de 0,3 e V en considérant qu'un bruit accidentel ne peut pas facilement ouvrir le canal La figure 13 montre deux lignes L'une est celle du cas o to X = 50 nm, l'autre est celle du cas o to X= 100 nm De toute façon, le dispositif selon la présente invention doit être donné par le point dans la zone gauche inférieure de toute ligne sur la figure 13 pour obtenir la caractéristique normalement hors circuit Par exemple, lorsque ND est de lxl O 14 cm-3 et que H est de 2 Mm, ce groupe de paramètres satisfait à la condition dans le cas de chacune
des valeurs de to X indiquées ci-dessus.
La seconde condition pour que le dispositif selon la présente invention ait la caractéristique normalement hors circuit concerne l'épaisseur de canal H et la longueur de canal L La figure 14 montre le résultat du calcul numérique
de la distribution de "potentiel" dans la région de canal 7.
Sur cette vue en perspective du "potentiel", le plan de base est la région de canal de la figure 9 en regardant virtuellement à peu près du côté de la région de source jusqu'au centre du canal, les lignes C-C' indiquant le côté supérieur (côté de la profondeur) de la figure 14 et sont identiques au cas de la figure 9 L'axe vertical désigne le "potentiel" Les lignes entourant les zones colorées sur la figure 14 représentent des lignes équipotentielles Le potentiel à proximité de la région de source (que l'on ne peut voir à la figure 14) est tiré vers le bas par l'effet de
la région de source mais à la région adjacente à la ligne C-
C', la région centrale du canal, il n'y a sensiblement pas d'influence de la région de source et la distribution de "potentiel" y est la même que sur la figure 14 avec VO = O V. Des résultats des mêmes calculs en plusieurs points pour satisfaire à la première condition sur la figure 13, on arrive à ce que l'influence de la région de source sur la région de canal étend la longueur jusqu'à 1 ou au plus 1,5 fois la valeur de H, l'épaisseur du canal le long de la surface du film isolant dans le canal D'autre part, à la portion de la région de canal qui fait face à la région de drain, la diminution du "potentiel" par le champ électrique provenant de la région de drain est à peu près identique au cas ci-dessus décrit Par conséquent, la condition pour laquelle le canal ne s'ouvrira pas du fait de l'influence du champ électrique provenant de la région de drain est L/H (le rapport de la longueur du canal à son épaisseur)) de plus de
2 ou 3.
Le mécanisme du dispositif selon la présente invention pour changer d'état, de l'état non passant à l'état passant
sera maintenant expliqué.
Quand le potentiel de l'électrode d'injecteur Vj = O V,
le canal est à l'état non passant comme décrit ci-dessus.
Alors, quand le potentiel appliqué à l'électrode d'injecteur atteint 0, 3 V, il apparaît une région de "potentiel" négatif à la portion centrale de la région de canal, comme le montre la figure 12, donc les électrons peuvent s'écouler dans la région de canal, ce qui signifie que le dispositif devient passant La raison pour laquelle la distribution de "potentiel" du canal diminue quand le potentiel de l'électrode d'injecteur augmente est la suivante: Quand le potentiel de l'électrode d'injecteur augmente, le potentiel de la région d'injecteur 8 du type p qui est en
contact ohmique avec l'électrode d'injecteur 18 augmente.
Alors, les trous arrivent à la surface du film isolant dans le canal parce que la région d'injecteur 8 du type p touche le film isolant 5 de chaque électrode isolée à potentiel fixe 6 Les trous, ou les porteurs minoritaires de la région de canal, protègent le champ électrique de la région 4 du type p de l'électrode isolée à potentiel fixe vers la région de canal du type n Ainsi, la largeur de la région d'appauvrissement dans le canal se réduit et la région neutre apparaît. Quand le potentiel de l'électrode d'injecteur atteint plus de 0,5 V, l'aire de "potentiel" négatif dans le canal de la figure 12 devient plus faible que la ligne en trait mixte indiquée à la figure 12, celle-ci indiquant le "potentiel" à l'état neutre de la région de canal Le profil de la distribution de "potentiel" dans le canal devient plat Cela est dû au fait que la jonction p-n entre la région d'injecteur 8 du type p et la région du type N est polarisée en direct et que la région de canal du type N (et la région
de drain du type n) passe à l'état d'injection à haut niveau.
A cet état, les trous se forment non seulement à la région 8 du type p directement mais également à la surface des films isolants 5 de l'électrode isolée à potentiel fixe En effet, la surface du film isolant fonctionne comme un trajet de
courant des trous de forte conductivité.
A cet état, il est plus facile de comprendre le contrôle du dispositif par le "courant d'injection" plutôt que par le potentiel à l'électrode d'injecteur, comme un transistor à jonction bipolaire en général Cela est dû au fait que la conductivité de la région de drain est contrôlée
par la quantité du courant des trous de l'injecteur.
Le mécanisme du dispositif selon la présente invention pour changer d'état, de l'état passant à l'état non passant,
sera expliqué ci-dessous.
Pour mettre le dispositif hors circuit, il est suffisant de mettre le potentiel de l'électrode d'injecteur à 0 V Par ailleurs, une tension négative peut servir de signal d'arrêt Alors, l'injection des trous s'arrête et l'excès des trous présents dans la région de drain du type N et le canal peut disparaître par recombinaison ou bien s'écouler du dispositif par la région d'injecteur 8 du type p Le canal se trouve alors de nouveau rempli par la région d'appauvrissement. Par ailleurs, sur la figure 11, la région 8 du type p est tracée de façon à s'étendre jusqu'à une portion du dispositif plus profonde que le fond de l'électrode isolée à potentiel fixe qui est représentée en pointillé Cela a le mérite d'accélérer le passage à l'ouverture du dispositif lorsqu'un potentiel négatif est appliqué à l'électrode d'injecteur. Dans le cas d'une jonction peu profonde, telle que celle de la figure 8, il n'y a aucun problème sur les autres
caractéristiques ou le fonctionnement du dispositif.
Cette caractéristique I-V ressemble à celle d'une pentode, à peu près similaire à un simple transistor à jonction bipolaire Le courant de drain peut suffisamment s'écouler par contrôle du "courant d'injecteur" même si le potentiel au drain est faible Quand le potentiel au drain augmente, le courant de drain se trouve saturé à cause du pincement selon la région d'appauvrissement qui s'étend à partir de la surface du film isolé jusqu'au dans la région de drain De plus, on peut définir h FS (facteur d'amplification du courant dans le cas o la source est à la masse et qui est identique à la valeur de h FE d'un transistor à jonction bipolaire) parce que le courant d'injection contrôle le courant principal Ce dispositif permet d'obtenir une forte valeur de h FS parce que la grandeur d'une cellule unitaire est très petite et que le potentiel de la région de canal est
directement solidaire de celui de l'électrode d'injecteur 18.
On décrira maintenant certaines méthodes préférées de
fabrication du dispositif selon l'invention.
Les figures 19 à 24 montrent des vues en perspective de stades successifs de la fabrication du dispositif que l'on
peut voir aux figures 8 à 18.
( 1) Comme on peut le voir à la figure 19, la région de drain 2 du type N est formée sur une surface principale du substrat du type n+ qui est la région du substrat 1, par croissance épitaxiée Par ailleurs, sur une surface supérieure de la région de drain du type n, sont formées en étant espacées l'une de l'autre, une région du type n+ qui sert de région de source 3 et une région du type p qui sert de région d'injecteur 8 Pour faciliter la compréhension de la structure, la profondeur de la région 8 du type p est tracée de façon à être moins profonde que chaque électrode isolée à potentiel fixe espacée 6 (que l'on ne peut pas voir
sur les figures 19 à 21).
( 2) Comme le montre la figure 20, un matériau de masque 100 est formé sur les surfaces supérieures des régions de source 3, de la région de drain 2 et de la région d'injecteur 8 pour donner un motif permettant de former les tranchées pour les électrodes isolées à potentiel fixe 6 L'attaque est anisotrope à sec, afin de former des tranchées dont les parois latérales sont à peu près verticales par rapport à la surface principale, comme le montre la figure 21 La profondeur de chaque tranchée est le double, le triple ou plus, de la distance entre des tranchées mutuelles adjacentes. Un profil en section transversale de chaque tranchée, c'est-à-dire la forme de chacune des électrodes isolées à potentiel fixe 6, est montré par la figure 9 ou la figure 21 o sont formées les lettres des tranchées en forme de U. Chaque paroi latérale s'étend verticalement par rapport à la surface principale de la région du substrat 1 Si les deux conditions ci-dessus décrites, concernant le canal, sont satisfaites pour donner le dispositif du type normalement non passant, le profil en section transversale de chaque électrode isolée à potentiel fixe 6, c'est-à- dire chaque tranchée, peut alternativement avoir une forme de barillet, une forme de cale, une forme de rhombus ou une forme en U en pente Si cela est physiquement possible, les électrodes isolées à potentiel fixe 6 peuvent être complètement noyées
dans la région de substrat 1.
De plus, autour des motifs de surface, tant que les conditions d'état hors circuit du canal, décrites ci-dessus, sont satisfaites, l'uniformité de l'épaisseur du canal et
celle de la largeur de la tranchée ne sont pas essentielles.
( 3) Comme le montre la figure 22, les surfaces internes des tranchées sont oxydées pour former les films isolants 5 et les tranchées sont remplies de silicium polycristallin du type p fortement dopé A ce moment, le matériau de masque 100
fonctionne en tant que masque contre l'oxydation.
( 4) Alors, le silicium polycristallin est à nouveau attaqué pour ne le laisser que dans les tranchées comme le montre la figure 23 A ce moment, le matériau formant masque
sert de nouveau de masque contre l'attaque du silicium.
( 5) Comme le montre la figure 24, le matériau formant masque 100 est éliminé et ensuite les films isolants intercouche 15 (montrés à la figure 11) et les électrodes métalliques sont formés pour obtenir la structure du dispositif semi-conducteur que l'on peut voir aux figures 8 à 11. Il faut noter que les portions conductrices des électrodes isolantes à potentiel fixe 6 peuvent également être du même métal que l'électrode de source, à condition que le canal ne puisse être ouvert par le champ électrique de la région de drain quand le potentiel de l'électrode d'injecteur
18 est à l'état non passant.
On expliquera maintenant, en se référant aux vues en coupe transversale successives des figures 25 à 27, une autre méthode de fabrication du dispositif du premier mode de réalisation. Cette méthode permet d'obtenir une épaisseur H du canal plus mince Il faut noter que les figures 25 à 29 montrent des vues en coupe transversale uniquement des régions de
surface se rapportant aux explications ci-dessous.
On utilise un film en trois couches, consistant en un film de silicium oxydé mince 101, un film en nitrure de silicium 102 et un film en oxyde 103 obtenu par dépôt chimique en phase vapeur, pour le matériau formant masque , comme le montre la figure 20 Au départ, seul le film 103 en oxyde obtenu par dépôt chimique en phase vapeur et le film de nitrure de silicium 102 se trouvent utilisés pour la
formation du motif.
Alors, seul le film en nitrure de silicium 102 est attaqué par attaque isotrope, à un certain point, comme le montre la figure 26 Ensuite, le film d'oxydation 103 est éliminé de manière que le film en nitrure de silicium 102 restant serve de masque pour former les tranchées sur le
substrat en silicium comme le montre la figure 27.
Selon cette série de méthodes de fabrication, si on effectue une attaque de côté de 1 Mm pour le film 102 en nitrure de silicium à l'étape du procédé de fabrication de la figure 26, la largeur H du canal peut être de 2 pm, même si la limite normale minimale d'une photo-attaque est par
exemple de 4 Mm.
Les avantages obtenus avec le procédé de fabrication montré aux figures 25 à 27 sont les suivants:
En effet, la structure du canal peut être plus petite.
En particulier, tandis que l'épaisseur du canal H diminue, sa
longueur L peut en conséquence être également plus courte.
( 1) Le procédé de fabrication se simplifie, car la
profondeur des tranchées peut être diminuée.
( 2) La résistance à l'état passant peut être plus
faible parce que le canal peut être plus court.
( 3) La valeur de h FS peut augmenter parce que toute l'aire superficielle des films isolants diminue, donc la
recombinaison de surface y diminue également.
Une autre méthode de fabrication du dispositif pour améliorer ces caractéristiques sera expliquée ci-dessous, en
se référant aux figures 28 à 31.
Après le stade de fabrication de la figure 25, on effectue une oxydation de LOCOS (Oxydation Localisée du Silicium) pour former ce qui est montré à la figure 28 Les becs d'oiseaux sont formés sous les films formant masques 102. Une attaque anisotrope à sec est effectuée pour le "film d'oxyde" épais qui est formé par LOCOS et pour la région de drain, afin de creuser les tranchées, comme le montre la figure 29 L'étape du procédé montré à la figure 28
* peut être effectuée ou non pendant le procédé décrit ci-
dessus. Après les étapes montrées aux figures 21 à 23, les films formant masques 103, 102, 101 sont éliminés pour exposer la portion de la région de drain qui a touché le silicium oxydé mince 101 comme le montre la figure 30 Un film en silicium polycristallin 14 est déposé à la surface et des atomes d'une impureté du type N sont implantés à la surface du film en silicium polycristallin 14 Aprés ces étapes, les portions du film 14 sur le silicium polycristallin du type p+ 4 dans les tranchées sont localement enlevées pour exposer la région 4 et un léger recuit est effectué pour diffuser l'impureté du type N dans le film 14 et, de plus, dans la région de drain 2 (région de canal) pour former la région de source 3 du type n+ comme le
montre la figure 31.
La méthode ci-dessus décrite présente les avantages suivants ( 1) La grandeur des régions de source peut être
rétrécie de la largeur des becs d'oiseaux.
( 2) Le taux de recombinaison des porteurs peut être réduit grâce à l'intervalle formé entre la région de source 3
et la surface du film isolant 5.
( 3) Le courant de drain peut être contrôlé par une moindre injection de courant parce que c'est ce qu'on appelle une "structure d'émetteur enpolysilicium", donc l'injection des porteurs minoritaires dans la région de source est supprimée. La figure 17 montre le dispositif du second mode de réalisation préféré de la présente invention Dans ce mode de réalisation, il y a additionnellement une région 9 du type p dans la région de canal 7 qui correspond à une région de
"base" des transistors bipolaires.
La densité des impuretés de la région 9 du type p peut être considérablement moindre que celle de la base d'un
transistor bipolaire, c'est-à-dire par exemple de lx 1016 cm-3.
Quelle que soit la densité d'impuretés de la région 9 du type p, l'état non passant du dispositif, par rapport à un champ électrique de drain élevé, peut être maintenu, parce qu'il est en sandwich entre les électrodes isolées à potentiel fixe, comme le montre la figure 17 La région 9 du type p peut être connectée ou non à la région d'injecteur 8 du type p De toute façon, les porteurs (trous) peuvent se déplacer entre les deux régions du type p par le trajet sur les surfaces des films isolants 5 On peut également obtenir, dans ce second mode de réalisation, l'avantage d'une forte valeur de h FS Dans cette structure, la couche d'accumulation de forte conductivité des trous est formée à l'interface entre le film isolant 5 et la région 9 du type p qui fonctionne comme un trajet efficace des trous passant par
l'électrode d'injecteur 18.
En effet, l'électrode isolée à potentiel fixe 6 correspond virtuellement à une "électrode de base" de transistors bipolaires en général, et elle est très proche de la région "d'émetteur"' (la région de source de ce dispositif) En conséquence, on peut s'attendre à une forte
valeur de h FS-
Par ailleurs, le fait que le bas de l'électrode isolée à potentiel fixe 6 touche la région de drain du type N n'est pas essentiel Donc, la région 9 du type p peut couvrir toute la surface de l'électrode isolée à potentiel fixe comme le montre la figure 18 Mais dans ce cas, la "longueur de la base" devient plus importante que dans le cas de la figure 17, ce qui peut affecter les caractéristiques électriques du dispositif. On décrira maintenant les structures périphériques du
dispositif selon l'invention.
En général, le champ électrique peut se concenter aux coins inférieurs des électrodes isolées à potentiel fixe, comme on peut le voir à la figure 9, même si ces coins sont en réalité ronds Ce phénomène peut réduire la tension de rupture du dispositif Mais dans le dispositif selon la présente invention, comme les électrodes isolées à potentiel fixe 6 sont mutuellement proches avec un très petit intervalle spatial entre elles, c'est-à-dire l'épaisseur du canal H, les champs électriques se divisent aux coins mutuellement adjacents Donc, la concentration des champs électriques peut devenir négligeable Quand des cellules telles que montrées aux figures 9 et 10 sont agencées à la surface d'une puce, on ne peut éviter qu'il y ait des électrodes isolées à potentiel fixe sans partenaire pour
diviser le champ électrique au bord de la région active.
En général, pour éviter la concentration du champ électrique, on installe, comme le montre la figure 32, une région 10 du type p qui forme une jonction courbée d'un grand rayon de courbure Cette région 10 du type p peut être connectée à l'électrode d'injecteur qui est identique à la
région d'injecteur 8 du type p, comme le montre la figure 10.
Par exemple, cette région 10 du type p correspond à un
premier anneau de garde du dispositif.
Cependant, cette contre-mesure n'est pas appropriée au dispositif selon la présente invention En effet, à l'état passant du dispositif, la densité des trous dans la région de canal à proximité de la région 10 du type p devient plus importante que dans les autres régions de canal, ce qui produit une non uniformité de la conductivité ainsi que de la densité de courant Il vaut donc mieux utiliser, pour ce problème, un motif tel que celui montré à la figure 33 La figure 33 est une vue de surface de la région périphérique du dispositif qui forme une contre- mesure appropriée Sur cette figure, la région 8 du type p est la région d'injecteur telle que sur la figure 10 et le film isolant 5 est omis pour une meilleure compréhension Il y a de nombreuses sous-branches sur le côté de l'électrode isolée à potentiel fixe la plus extérieure, lesquelles sont agencées en bandes de la même
manière que les cellules normales.
Chaque extrémité de la sous-branche se trouve dans la région 8 du type p comme l'extrémité d'une électrode isolée à potentiel fixe normale, comme le montre la figure 10 Dans une telle structure, il n'y a pas de coin inférieur de l'électrode isolée à potentiel fixe sans partenaire pour diviser le champ électrique la longueur "D 1 ", sur la figure 33, est la distance entre une région de source 3 du type n+ et une région d'injecteur 8 du type p et la longueur ''D'11 ' est la distance entre le début de la sous-branche et la région 8 du type p. Il faut noter que toutes les explications ci-dessus sont basées sur le fait que le type d'impureté du substrat semi-conducteur est du type N mais il est également possible
que les types d'impureté de toutes les régions de semi-
conducteur soient inversés.
Les différences de fonctionnement et de structure entre le dispositif selon la présente invention et les dispositifs
de référence précédemment décrits seront résumées ci-dessous.
D'abord, on décrira ci-dessus les différences entre la présente invention et le premier dispositif de référence des
figures 1 à 3.
Dans le premier dispositif de référence, le potentiel à l'électrode isolante (porte 95 du type MOS) est variable et le potentiel à l'électrode isolante 84 est positif, donc une couche d'accumulation des électrons se forme à l'interface du film isolant 84 Ainsi, on peut obtenir une faible résistance du canal et l'électrode isolante 87 est utilisée comme
électrode de commande.
D'autre part, selon la présente invention, l'électrode isolée (électrode (s) isolée (s) à potentiel fixe 6) est fixée sur le potentiel de la source Par conséquent, l'électrode isolée à potentiel fixe 6 n'est pas à la base "l'électrode de commande" C'est une différence essentielle par rapport à celle du premier dispositif de référence que
l'on peut voir aux figures 1 à 3.
De plus, dans le premier dispositif de référence, le
dispositif semi-conducteur est du type normalement passant.
Pour interrompre le courant principal, il faut fournir positivement un potentiel négatif à la porte de jonction 98
et à la porte MOS 95.
Selon la présente invention, le dispositif semi-
conducteur est essentiellement du type normalement non passant Par conséquent, pour maintenir l'état non passant, l'électrode 18 pour le contrôle de l'injection peut être au même potentiel que la région de source 3, c'est-à-dire la masse. Dans la présente invention, il est essentiel que l'électrode d'injecteur 8 contacte le film isolant 5 Ainsi, le potentiel de la surface du film isolant est contrôlé par
l'application d'un potentiel à l'électrode d'injecteur 18.
D'autre part, dans le premier dispositif de référence, la porte de jonction 98 ne contribue pas à l'état passant du dispositif Cela est dû au fait que, comme l'indique l'article, la région 88 du type p ne contacte pas le film isolant 84 Donc, même si le potentiel à la porte de jonction 98 est à une valeur positive, la condition de surface du film
isolant ne peut être affectée.
Par ailleurs, selon la présente invention, l'état passant du dispositif semi-conducteur est obtenu en fournissant des porteurs minoritaires de la ou des régions d'injecteur 8 pour ouvrir le canal et cela module les
conductivités de la région du drain et de la région de canal.
D'autre part, dans le dispositif de la première référence, même si un potentiel positif est appliqué à la porte de jonction 98 pour injecter des porteurs minoritaires à la région de canal, cela ne peut avoir aucune influence sur la région de canal 98 qui a une grande densité d'impuretés
pour conduire un courant monopolaire à une faible résistance.
Le phénomène de modulation (ou augmentation) de la conductivité d'une région de semi-conducteur par une injection de fort niveau des porteurs minoritaires sera expliqué ci- dessous Les porteurs minoritaires injectés agissent comme des ions supplémentaires d'impureté, donc la conductivité de la région de semi- conducteur augmente temporairement Ce phénomène est remarquable dans une région à faible densité d'impuretés Cela est par exemple la région de drain du premier mode de réalisation préféré de la présente invention Sa densité d'impuretés est étudiée pour
être d'environ 1014 cmn 3 afin de résister à une haute tension.
Donc, le phénomène de "modulation de conductivité" est remarquable et le courant principal peut s'écouler à une faible résistance dans la région de drain qui est à l'origine de faible conductivité Mais, dans une diode p-n polarisée en direct ou une structure similaire, la densité des porteurs minoritaires fortement injectés est au plus d'un ordre de grandeur de 1016 cm-3 Dans le cas du premier dispositif de référence, la densité d'impuretés est étudiée pour conduire un courant monopolaire à une faible résistance Comme cette valeur est comparable à la densité maximale des porteurs minoritaires en excès à l'échelle logarithmique, ce phénomène y est négligeable De cette manière, tandis que le premier dispositif de référence est un dispositif monopolaire, le dispositif selon l'invention est un dispositif bipolaire Il est clair que les deux dispositifs sont fortement différents
l'un de l'autre.
Les différences entre le deuxième dispositif de référence de la figure 6 et celui selon la présente invention
seront décrites ci-dessous.
Dans le deuxième dispositif de référence, la région du type p (région de porte 68 du type p+), qui sert d'électrode de commande, existe sous la partie inférieure de la tranchée o existe l'électrode isolée (électrode de porte 65) et elle est en contact ohmique avec l'électrode isolée au fond de la tranchée Comme dans le premier dispositif de référence, le fait que l'électrode isolée du deuxième dispositif de référence soit l'électrode de commande est la différence essentielle par rapport au dispositif de la présente invention La position de la région du type p est également différente Le fait que dans le deuxième dispositif de référence, le potentiel de la région du type p soit solidaire de l'électrode isolée est également une différence Par ailleurs, le mécanisme pour obtenir une faible résistance à l'état passant est apparemment différent Dans le deuxième dispositif de référence, les porteurs minoritaires pour
moduler la conductivité de la région de base 62 du type n-
sont injectés à partir de la région d'anode 61 du type p Comme la région d'anode du type p+ est le substrat du dispositif et fait partie du trajet principal de courant, le courant principal se compose des électrons et des trous. D'autre part, dans le dispositif de la présente invention, les porteurs minoritaires pour moduler la conductivité de la région de drain du type n sont injectés à partir de la région 8 du type p qui existe à la surface de la région de
drain, sans faire partie du trajet de courant principal.
Donc, l'élément qui compose le courant principal est presque
formé d'électrons.
Les différences entre le troisième dispositif de référence de la figure 7 et la structure du dispositif selon
la présente invention seront décrites ci-dessous.
La structure du dispositif de la troisième référence, au premier coup d'oeil, ressemble à celle du second mode de réalisation de la présente invention Cependant, dans le dispositif de la troisième référence, le potentiel de la porte isolée (électrode de porte 45) est variable et c'est l'électrode de commande et le potentiel de la région du type p (la région de base) est initialement fixe Au contraire, dans le dispositif selon la présente invention, le potentiel de la région du type p (la région d'injecteur 8) est variable et le potentiel de l'électrode isolée (électrode isolée à potentiel fixe 6) est fixe Ce sont des différences évidentes de constitution Par ailleurs, dans le troisième dispositif de référence, le trajet de courant principal dans la région de canal est la couche d'inversion à l'interface entre la région de canal et le film isolant Dans le dispositif selon la présente invention, le trajet de courant dans la région de canal est la portion de la ligne centrale ou bien la totalité
de la région de canal.
De plus, les méthodes de modulation de conductivité d'une région de grande résistivité sont différentes entre la présente invention et le deuxième ou troisième dispositif de référence Comme on l'a décrit ci- dessus, dans les deuxième et troisième dispositifs de référence, une jonction p-n existe dans le trajet de courant principal, donc on ne peut obtenir une valeur suffisante de courant quand la tension entre les électrodes principales est en dessous de 0,7 V Au contraire, dans le cas de la présente invention, il n'y a pas de jonction p-n dans le trajet de courant principal, donc ce courant principal peut suffisamment s'écouler, même à basse tension. Les avantages du dispositif selon l'invention sont résumés ci-dessous: ( 1) Caractéristique normalement non passant; ( 2) Dispositif à trois bornes du type à contrôle du courant, ( 3) Faible résistance à l'état passant; ( 4) Permet de contrôler un grand courant principal par un moindre courant de contrôle; ( 5) Structure appropriée pour la miniaturisation; ( 6) Structure appropriée à une grande tension de rupture; ( 7) Pas de dispositif parasite; ( 8) Fabrication possible par technologie LSI conventionnelle.
Claims (15)
1 Structure d'un dispositif semi-conducteur, caractérisée en ce qu'elle comprend: a) un substrat semi-conducteur ( 1), ayant un type de conductivité, qui constitue une région de drain ( 2); b) au moins une tranchée creusée à partir de la surface dudit substrat; c) au moins une région de source ( 3), du même type de conductivité que la région du drain, formée sur un substrat principal et qui est construite de façon à être prise en sandwich par les tranchées; d) au moins une électrode isolée à potentiel fixe ( 6), dont le potentiel est fixé sur le potentiel de la région de source, et qui comprend un film isolant qui couvre toute la surface interne de la tranchée et un matériau conducteur ayant une fonction de travail afin de former une région d'appauvrissement dans ladite région de drain, à proximité dudit film isolant; e) une région de canal ( 7) qui fait partie de la région de drain, qui est adjacente à la région de source et qui est construite de façon à être prise en sandwich par les tranchées; et f) au moins une région d'injecteur ( 8), d'un type de conductivité opposé, qui est formée sur la région de drain et qui contacte le film isolant de l'électrode isolée à potentiel fixe sans contacter la région de source; et en ce que, pendant l'état non passant dudit dispositif semi- conducteur qui est maintenu parce que le potentiel de la région d'injecteur est identique à celui de la région de source, une barrière de potentiel contre les porteurs majoritaires constituée par la région d'appauvrissement est formée de manière que ladite région de source soit déconnectée électriquement de la région neutre de la région de drain et, pendant l'état passant du dispositif semi- conducteur, obtenu par application d'un potentiel prédéterminé à la région d'injecteur, les porteurs minoritaires sont introduits dans l'interface entre le film isolant et la région de drain en contact avec la région d'injecteur et lesdits porteurs minoritaires forment une couche d'inversion qui protège le champ électrique de ladite électrode isolée à potentiel fixe de ladite région de canal afin de réduire la hauteur de ladite barrière de potentiel, ainsi ladite région de source se trouve électriquement connectée à ladite région de drain; et en ce que la conductivité de ladite région de drain est augmentée par l'injection des porteurs minoritaires de ladite
région d'injecteur vers ladite région de drain.
2 Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux parois latérales de la tranchée sont à peu près verticales par rapport à la surface principale de la région de drain ( 2), et en ce que la "longueur de canal" (L), définie comme la distance entre la région de source et la surface du fond de la tranchée, est au moins le double ou plus de "l'épaisseur du canal" (H) qui est définie comme la distance entre des films isolants se faisant mutuellement
face dans la région de canal.
3 Structure selon la revendication 1, caractérisée en
ce que certaines des tranchées sont jointes en une unité.
4 Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus une région de base ( 9) de conductivité opposée, qui est insérée entre la région de
source et la région de canal.
Structure selon la revendication 4, caractérisée en ce que la région de base ( 9) est construite afin d'être en
contact avec la région d'injecteur ( 8).
6 Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la jonction formée entre la région d'injecteur ( 8) et la région de drain ( 2) est présente jusqu'à un point qui est
plus profond que la surface du fond des tranchées.
7 Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le type de conductivité de la région de drain est du
type p et celui de la région d'injecteur ( 8) est du type n.
8 Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la concentration en impuretés du drain ( 2) est inférieure à lx 10 14 cm-3 l'épaisseur du canal est d'environ 2
pm, l'épaisseur du film isolant ( 5) est supérieure à 50 nm.
9 Structure selon la revendication 8, caractérisée en
ce que la longueur du canal est à peu près de 6 Mm.
Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'en vue en plan, chaque tranchée est à peu près en forme de barre et en ce que la région de source ( 3) contacte le film isolant au centre de ladite tranchée en forme de barre et la région d'injecteur ( 8) contacte le film isolant au bord
de ladite tranchée en forme de barre.
11 Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'en vue en plan, chaque tranchée est à peu près en forme de "C", et la région de source ( 3) contacte le film isolante à la portion interne dudit "C" et la région d'injecteur ( 8)
contacte ledit film isolant au bord dudit "C".
12 Structure d'un dispositif semi-conducteur, caractérisée en ce qu'elle comprend: a) un substrat semi-conducteur ( 1) du type N ayant une région de drain ( 2); b) au moins une tranchée creusée à partir de la surface dudit substrat; c) au moins une région de source ( 3) du type n, comme la région de drain, qui est formée sur une surface principale dudit substrat et qui est construite de façon à être prise en sandwich par les tranchées; d) au moins une électrode isolée à potentiel fixe ( 6) dont le potentiel est fixé sur celui de la région de source et qui comporte un film isolant ( 5) couvrant toute la surface de la tranchée et un matériau conducteur ( 4) ayant une fonction de travail afin de former une région d'appauvrissement dans ladite région de drain, à proximité dudit film isolant; e) au moins une région de canal ( 7), qui fait partie de ladite région de drain, qui est adjacente à ladite région de source et qui est construite de façon à être prise en sandwich par les tranchées; et f) une région d'injecteur ( 8) du type p qui est formée sur la région de drain et le film isolant de chaque électrode isolée à potentiel fixe sans contacter ladite région de source; et en ce que, pendant l'état non passant dudit dispositif semi-conducteur qui est maintenu par un potentiel à la région d'injecteur identique à celui de la région de source, une barrière de potentiel contre les porteurs majoritaires constitués dans la région d'appauvrissement se forme, donc ladite région de source se trouve électriquement déconnectée de la région neutre de la région de drain; et
pendant l'état passant dudit dispositif semi-
conducteur, obtenu par application d'un potentiel positif prédéterminé à la région d'injecteur, des trous sont introduits dans les interfaces entre les films isolants et la région de drain en contact avec la région d'injecteur et les trous forment une couche d'inversion qui protège le champ électrique de l'électrode isolée à potentiel fixe vers la région de canal afin de réduire la hauteur de la barrière de potentiel ainsi ladite région de source est en contact électrique avec ledit drain; et par ailleurs, la conductivité de ladite région de drain est augmentée par l'injection de trous de ladite région
d'injecteur, vers ladite région de drain.
13 Structure selon la revendication 12, caractérisée en ce que le matériau conducteur de l'électrode isolée à potentiel fixe ( 6) est un semi-conducteur polycristallin du type p. 14 Structure selon la revendication 12, caractérisée en ce que le matériau conducteur de l'électrode isolée à
potentiel fixe ( 6) est tout métal.
Structure selon la revendication 12, caractérisée en ce que les deux parois latérales de chaque tranchée sont à peu près verticales par rapport à la surface principale de la région de drain ( 3), en ce que la "longueur de canal", définie comme la distance entre la région de source et la surface du fond de la tranchée, est au moins le double ou plus que "l'épaisseur de canal" qui est définie comme la distance entre les films isolants ( 5) se faisant mutuellement face dans la région de canal. 16 Structure selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle a de plus une région de base ( 9) du type p insérée à chaque interface des régions de source et des
régions de canal.
17 Structure selon la revendication 13, caractérisée en ce que les régions de base sont construites afin de
contacter la région d'injecteur ( 8).
18 Structure selon la revendication 13, caractérisée en ce que les régions de base sont construites afin d'entourer l'électrode isolée à potentiel fixe ( 6) et elles
sont adjacentes.
19 Structure selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'une jonction ( 10) formée entre la région d'injecteur du type p et la région de drain du type N est présente jusqu'à un point qui est plus profond que la surface du fond
des tranchées.
Structure selon la revendication 12, caractérisée en ce que tous les éléments semi-conducteurs sont d'un type
de conductivité inverse.
21 Structure d'un dispositif semi-conducteur, caractérisée en ce qu'elle comprend: a) un substrat semi-conducteur ayant un type de conductivité qui constitue une région de drain; b) au moins une tranchée creusée à partir de la surface dudit substrat; c) au moins une région de source du même type de conductivité que la région de drain, qui est formée sur un substrat principal et qui est construite de façon à être prise en sandwich par les tranchées; d) au moins une électrode isolée à potentiel fixe dont le potentiel est fixé sur le potentiel de la région de source et qui comporte un film isolant couvrant toute la surface interne de la tranchée et un matériau conducteur dont la fonction de travail permet de former une région d'appauvrissement dans ladite région de drain, à proximité dudit film isolant; e) une région de canal qui fait partie de ladite région de drain, qui est adjacente à ladite région de source, et qui est construite de façon être prise en sandwich par la tranchée; et f) au moins une région d'injecteur, de type opposé de conductivité, qui est formée sur ladite région de drain et qui contacte ledit film isolant de ladite électrode isolée à
potentiel fixe sans contacter ladite région de source.
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