Chapitre IV. Une architecture bas coût avec collecteur totalement implanté
D. Transistors à collecteur implanté sur silicium
Les essais pour les transistors à collecteur implanté ont été réalisés en deux phases principales : un premier lot Q323161 avec plusieurs conditions pour l’implantation du collecteur et l’étude des règles des dessins pour déterminer la recette d’implantation optimale et les atouts de chaque structure ; d’autres essais sur le lot Q346198 réalisé après l’analyse de la première phase, où la recette d’implantation du collecteur est ajustée et le module base optimisé par le développement B55.
I. Premiers essais silicium pour un collecteur implanté
Pour faire varier le dopage dans le collecteur nous avons deux modules qui vont nous permettre d’ajuster les profils d’arsenic :
Une implantation d’arsenic après l’ouverture des zones bipolaires (masque BIPO) qui recouvre l’ensemble du transistor. Elle sera notée ICOL dans la suite pour plus de clarté.
152
Une implantation d’arsenic localisée SIC (masque COLI), comme utilisé pour la référence B55, pour améliorer la connexion entre la zone active et l’implantation ICOL, et ainsi ajuster le dopage à la jonction base / collecteur.
1.
Variation en dose et en énergie de l’implantation collecteur
1.a. Impact de l’énergie d’implantation ICOL à dose fixée
Nous analysons ici l’impact de la profondeur à laquelle sont implantés les dopants du collecteur. Pour la même implantation SIC (6.1013 at/cm3 @ 150 keV), et la même dose pour l’implantation collecteur ICOL (1.1014 at/cm3), l’énergie de l’implantation ICOL varie entre
180 keV et 240 keV. Les résultats sont présentés pour la géométrie de référence des trois structures BEC, CBEBC et Créneau. Les règles de dessin de chaque structure seront étudiées dans la partie 2.
On constate tout d’abord sur la Figure 150, que plus l’implantation ICOL est profonde, plus les atomes interagissent avec le réseau de silicium et le profil est déformé, pour une même dose de dopants implantée : la mobilité des électrons dans le collecteur est alors modifiée en fonction de la profondeur d’implantation.
Figure 150 : Profils de dopants As (gauche) et mobilités µn des électrons déduites (droite) de simulations
1D pour des implantations d’As d’énergie variable et une dose de dopants fixée à 1.1014at/cm3
Chapitre IV. Une architecture bas coût avec collecteur totalement implanté
153 On mesure alors la réduction de la résistance de couche du collecteur quand l’énergie augmente (Figure 151). Quelle que soit la valeur de l’énergie d’implantation, la résistance de couche ICOL reste cependant plus de 10 fois supérieure à celle de l’architecture de référence (environ 30 Ω/sq).
En plus de la résistance collecteur RC qui est largement supérieure pour les transistors à
collecteur implanté par rapport à celle de la référence B55, la capacité base-collecteur CBC
(Figure 152 gauche) augmente également. Cette augmentation est d’une part la conséquence du retrait du STI interne et du rapprochement entre le polybase et le collecteur, la capacité dépendant en partie de la surface de recoupement entre le polybase et le collecteur. D’autre part elle dépend de l’implantation collecteur ICOL qui est en surface : plus l’énergie est forte et donc la profondeur importante, plus la capacité diminue.
Pour la structure créneau, la réduction de la distance émetteur/collecteur permet une meilleure résistance collecteur ; mais avec une structure à 3 créneaux, un phénomène de dépolarisation dégrade alors la résistance d’accès à la base (Figure 152 droite). Le même phénomène intervient pour la structure BEC, où les contacts base sont loin de la partie la plus proche du collecteur, expliquant ainsi la forte valeur de résistance de base RB. La présence
d’une seule zone de contact collecteur au lieu de deux multiplie la résistance collecteur par deux, d’où la dégradation de fT. Dans le cas de la structure CBEBC, elle bénéficie d’une base
symétrique, similaire à celle de la référence B55, qui permet une résistance RB deux fois plus
faible que les architectures BEC et créneau. Mais la distance émetteur/collecteur reste plus élevée que pour le créneau, et le temps de transit des électrons est donc supérieur.
Figure 152 : Evolution de la capacité CBC et de la résistance de base RB en fonction de l’énergie de
l’implantation ICOL à dose fixe, pour un SIC constant, et pour les trois structures BEC, CBEBC et Créneau
Enfin, on constate que les tensions de claquage BVCBO et BVCEO (Figure 153) dépendent
logiquement de l’énergie de l’implantation ICOL : plus elle est profonde, et plus la tension de claquage est élevée, le niveau de dopants à la jonction étant alors plus faible.
154
Figure 153 : Evolution des tensions de claquage BVCBO et BVCEO en fonction de l’énergie de l’implantation
ICOL à dose fixe, pour un SIC constant, et pour les trois structures BEC, CBEBC et Créneau L’ensemble de ces variations s’accompagne de la réduction (-20%) des courants IC et IB à VBE = 0,7V pour les structures à collecteur implanté par rapport à B55, pour un gain en courant toutefois identique. On rattache ce résultat à un effet géométrique au niveau de la fenêtre émetteur potentiellement créé par une focalisation différente de la lithographie en fonction de la présence ou non de STI : en effet une différence de 23% au maximum pour la largeur de la fenêtre émetteur est relevée sur des coupes TEM.
Figure 154 : Evolution de la capacité CCS à VCE = 0V en fonction de l’énergie de l’implantation ICOL à dose fixe, pour un SIC constant, et pour les trois structures BEC, CBEBC et Créneau ; Variation de CCS en
fonction de la surface du collecteur
On note la réduction de la capacité collecteur-substrat CCS (Figure 154) lorsque l’on utilise
une structure à collecteur implanté. Cela s’explique tout d’abord par une surface d’implantation plus grande pour la structure B55 (composante périmétrique de CCS), et aussi
par une dose d’implantation de la couche enterrée 4 fois plus forte que les autres composants (composante surfacique). D’autre part pour les structures avec collecteur implanté et pour une même implantation, l’augmentation de CCS s’explique par la surface du collecteur, différente
pour chaque structure, comme on peut le voir dans la Figure 154. Enfin, on constate que plus la couche ICOL est profonde (énergie plus importante), plus la composante périmétrique de
Chapitre IV. Une architecture bas coût avec collecteur totalement implanté
155 Figure 155 : Evolution des fréquences fT et fMAX en fonction de l’énergie de l’implantation ICOL à dose
fixe, pour un SIC constant, et pour les trois structures BEC, CBEBC et Créneau
Sur la Figure 155, on peut voir la variation des fréquences fT et fMAX en fonction de
l’énergie. Bien que la variation soit limitée, nous avons un optimum pour une énergie de 210 keV. Les valeurs atteintes restent bien inférieures à celles de la référence B55, mesurée à part sur une plaque dédiée. Les fréquences fT et fMAX sont également très dépendantes de la
structure du composant. Les meilleurs résultats en fT sont atteints avec une structure créneau,
aux dépends de fMAX. Tandis que c’est la structure CBEBC qui est la plus favorable en fMAX, la
structure BEC n’est pas adaptée et fournit les valeurs de fréquences les plus faibles.
Pour les futurs essais, nous avons retenu la valeur de 210 keV pour l’énergie d’implantation ICOL, couplée à une dose de 1.1014 at/cm3.