Brevet FR2006708A1 — publié le 19700102

La présente invention se rapporte d'une maniere--genérale5 à des dispositifs semi-conducteurs et, plus particulièrement, à des jonctions redresseuses métal semi-conducteur. Les jonctions redresseuses formées par mise en contact de certains métaux avec certains semi-conducteurs trouvent une large application dans les dispositifs pour circuits électroniques à haute fréquence. L'une de ces applications d'une jonction redresseuse métal semi-conducteur est l'oscillateur à diode-avalanche. Une autre application est la diode à barrière de Schottky à orientation superficielle utilisée comme diode dans un circuit mélangeur jonction nant dans la bande X pour des applications aux hyperfréquences. De telles diodes sont couramment fabriquées à partir de molybdène et de silicium. Toutefois, le molybdène n' est pas compatible avec les corrosifs chimiques utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs modernes pour-graver le silicium.En conséquence, dans la fabrication d'un dispositif utilisant un contact en molybdène où le silicium doit être gravé après ltapplication du contact en molybdène, des problèmes importants se posent lorsqu on essaie de graver le silicium sans endommager le contact en molybdène. En conséquence, l'invention vise à réaliser un dispositif semi-conducteur comportant une jonction redresseuse métal-silicium et qui peut être fabriqué en utilisant des solutions usuelles attaquant le silicium. L'invention vise encore à créer un dispositif semi-conducteur comportant une jonction redresseuse métal-silicium et présentant d'excellentes caractéristiques de tension directe et inverse. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple la Fig. 1 est une me en perspective, en partie en coupe. représentant un oscillateur à diode-a-falanche utilisant du tungstène pour établir des contacts à la fois redresseurs et ohmiques avec un substrat en siliex m ; la Fig. 2a est une vue en perspective représentant une diode à barrière de Schottky à orientation superficielle du type utilisant du tungstène pour établir des contacts à la fois redresseurs et ohmiques avec un substrat en silicium ; la Fig. 2b est une vue en coupe, suivant la ligne 2b-2b d la diode représentée sur la Fig. 2a,mOntrant plus en détails les caractéristiques de construction de cette diode ;; la Fig. 3.est une vue en partie en coupe, représentant un appareil de pulvérisation à haute-fréquence elassique utilisé comme l'un des moyens pour déposer le tungstène pour les contacts représentés sur les Fig. 1, 2a, et 2.b ; la Fig. 4 représente un graphique montrant la courte courant direct/tension directe d'une jonction redresseuse tungstène-silicium comparable. L'invention vise essentiellement une jonction redresseuse tungstène-silicium formée par le contact dune couche de tungstène avec un substrat en silicium. Suivant le niveau de dopage de la partie sous-jacente du substrat en silicium, le contact peut être soit ohmique, soit redresseur. Le même matériau de contact peut donc gtre utilisé pour les deux types de contacts sur un seul et même dispositif, ce qui évite la double opération nécessaire lorsqu'on utilise deux systèmes métalliques différents.Bien que les proprié- tés du molybdène et du tungstène soient très analogues à de nombreux égards lorsqu'il sont comparés dans les traites de métallurgie classiques, le molybdène est extrêmement sensible aux corrosifs chimiques utilisés pour graver le silicium lors de la formation de dispositifs semi-conducteurs au silicium. Neanmoins, il ne se pose aucun problème dans de nombreux dispositifs, du fait que les contacts en molybdène ne sont pas appliqués avant 1 @achèvement de toutes les phases de fabrication du dispositif, à l'exception de la formation des contacts en molybdène.Toutefois, il existe certains dispositifs tels que l'oscillateur à diode-avalanche représenté sur la Fig. 1, sur lesquels les contacts doivent être appliques avant que la gra vure du silicium soit achevée. Jusqu à pressent, de tels dispositifs ne pouvaient pas entre fabriqués avec un succès appréciable en rai son de ce facteur. Or, le tungstène n2est attaqué que très lentement par les corrosifs chimiques utilisés pour graver le silicium et, par conséquent, des contacts en tungstène peuvent être appli qués à un moment quelconque au cours de la fabrication des disposi- tif. On va maintemant déorire les dessins et tout d'abord la Fig. 1 sur laquelle est représenté un escillateur à diode-avalanche 20. La Fig. 1 et toutes les Fig. suivantes ne sont pas nécessairement dessinées à l'écheile, ceci afin de mieux mettre en évidence les ca ractéristiques marquantes de l'invention. Les-régions semi-condue- tri ces représentées sur les Fig. sont formées par des procédés classiques de dépôt épitaxial et de diffusion dont on trouve, @dans la littérature technique1 des descriptions suffisantes pour qu'il ne soit pas nécessaire de les exposer entièrement ici. Pour une description complète de toutes les opérations classiques de fabrication des semi-conducteurs , consulter les ouvrages suivants Integrated Circuit-Design Principles and Fabrication, Ray M. Warner, Jr., et James Fardemwalt, McOraw-Hill (1965) Silicon Semiconductor Technology, McGraw-Hill (1965) Physios and Technology of Semiconductor Devices, A. S. Grove, Wiley & Sons (1967) Bien qu'un seul procédé particulier soit décrit pour la fabrication de chacun des dispositifs représentés sur les Fig., ces procédés ne sauraient en rien limiter l'invention d'une manière quelconque, car il existe de nombreux procédés différents et combinaisons d'opérations différentes pouvant être utilisés pour former chaque dispositif. Le procédé particulier utilisé ne fait pas partie de l'invention. La diode 20 est formée avec plusieurs centaines de diodes analogues sur une unique pastille de silicium. la pastille de départ est fortement dopée è l'antimoine, par exemple Jusqu'à obtention d'une résiativité d'environ 0,008 à environ 0,015 ohm-cm, la région 21 du type N++ faisant partie de la pastille du type N++ fortement dopée.Une région 22 du type N est formée par dépôt épita xial, en utilisant des procédés classiques connus dans la technique des semi-conducteurs, de dépôt d'une couche de silicium du type N sur l'une des sufaces de la pastille du type N . Une région 23 du type P+ est formée par diffusion d'une impureté du type P telle que du bore, dans la couche ou région 22 du type N jusqu 'à obtention d'une résistivité d'environ 2,0 ohms-cm. Une couche de tungstène est déposée sur la surface de la région 23 de type P+ par l'un quelconque des procédés classiques tels que le dépôt en phase vapeur ou une pulvérisation à haute-fréquence, par exemple. La technique de la pulvérisation à haute-fréquence est décrite plus complètement à propos de la Fig. 3. La couche de tungstène est déposée Jusqu'd obtention d'une épaisseur d'environ 1250 A, par exemple. Si l'on désire couvrir le contact métallique avant 24 d'or, une couche d'or peut être déposée en phase vapeur ou par pulvérisation à haute-fréquence sur la couche de tungstène au moyen de l'appareillage utilisé pour déposer-celui-ci. La surface de la couche d'or est revêtue d'une matière de réserve photographique telle que le KMER fabriqué par Eastman Kodak Company, Rochester, Etat de New York, E.U.A.Le KMER est exposé et développé par des procédés classiques bien connus dans la technique des semi-conducteurs pour former un masque dessiné sur la surface de la couche d'or, résistant à la corrosion, le KMER restant sur les parties de la couche d'or qui recouvriront ultérieurement le contact redresseur avant 24 de chaque diode, y compris la diode 20. Le KMER et les parties exposées de la couche d'or sont soumis à une corrosion chimique par voie humide, par exemple en utilisant une solution alcoolique d'iodure de potassium, pendant une période de temps suffisante pour éliminer les parties non masquées de la couche d'or de manière à former la couche d'or résiduelle 25 et à exposer des parties de la couche de tungstène.Le tungstène exposé est soumis à une corrosion chimique, par exemple au moyen d'une solution basique de ferricyanure de potassium, pendant une période de temps suffisante pour éliminer tout le tungstène exposé, en formant ainsi le contact redresseur avant 24 et la jonction redresseuse 29 entre le contact en tungstène 24 et la région 23 de silicium du type P+ avec un diamètre d'environ 0,125 mm, par exemple . Le KMER est ensuite éliminé. La pastille de silicium, maintenant revêtue sur son côté P+ d'un grand nombre de points de tungstène est placée dans une solution classique attaquant le silicium et composée, par exemple, d'acides nitrique, fluorhydriqu et acétique, pendant un temps suffisant pour attaquer le silicium entourant les points approximativement jusqu'à la ligne en trait interrompu de la Fig. 1. Les points de tungstène tels que le contact avant 24, protègent le silicium au-dessous d'eux, le silicium éliminé formant des mesas circulaires d'environ 25 microns de hauteur, par exemple, dans la pastille de silicium avec un point de tungstène ou contact redresseur sur le sommet de chaque mesa.La pastille de silicium est ensuite soumise à un rodage mécanique sur la surface de larégion 21 du type N++, jusqu'à ce que la pastille soit réduite d'environ 0,5 mm à environ 0,1 mm d'épaisseur par exemple. La pastille est ensuite placée sur un plateau, par exemple en verre et est liée à celui-ci, les mesas étant en contact avec le verre et étant maintenus sur le plateau par un adhésif organique, par exemple. La surface opposée de la pastille, c'est-à-dire la surface de la région 21 du type N++ est ensuite attaquée chimiquement pour réduire encore l'épaisseur de la pastille, par exemple jusqu'à environ 50 microns. Une couche de KMER est ensuite appliquée sur la surface de la région 21 du type N++ et est dessinée pour former un masque, comme précédemment décrit, pour recouvrir exclusivement la partie de la surface directement opposée aux contacts avant tels que le contact 24. Le KMER et la'surface exposée de la pastille de silicium sont soumis à une corrosion chimique péndant un temps suffisant pour former de petits mesas dans la région 21-du type N directement opposés aux mesas formés dans les régions du type P+ 23 et du type N 22, respectivement.Les mesas ne sont pas gravés trop profondément afin qu'ils ne percent pas le silicium environnant ce qui risquerait de les mettre en-contact avec les mesas antérieurement formés sur la surface opposée de la pastille, Le KMER est éliminé et une couche de tungstène est appliquée aux mesas dans la région 21 du type N++ et dans la surface de silicium environnante par des techniques de dépôt en phase vapeur ou de pulvérisation à haute-fréquence, suivies du dépôt dune couche d'or sur la couche de tungstène, de préférence dans le meme appareillage que celui qui est utilisé pour déposer cette dernière.La surface de la couche d'or est revetue d'une couche de SEMER qui est dessinée comme précédemment décrit, ce qui ne laisse subsister que le KMER recouvrant les parties de la couche d'or sur le tungstène formé sur les surfaces des mesas. Les surfaces non masquées de l'or et du KMER sont soumises à une corrosion chimique pendant un temps suffisant pour éliminer la couche d'or non masqués en ne laissant subsister que la couche d'or résiduelle 27.Le tungstène exposé est éliminé, comme précédemment décrit à propos de la formation du contact en tungstène avant 24 et de sa couche d'or de revêtement 25 La couche de tungstène déposée sur chaque mesa forme le contact ohmique arrière 26 et la jonction ohmique 28 entre le contact en tungstène 26 et la région 21 du type N++. La pastille est ensuite placée à nouveau dans un corrosif attaquant le silicium pendant une période de temps suffisante pour éliminer le silicium résiduel au voisinage immédiat de chaque mesa. ce qui libère chacune des diodes individuelles 20. Si le contact en tungstène avant 24 de chaque diode tétait pas lié par un adhésif plastique à la plaque de verre, toutes les diodes terminées tomberaient alors librement. Au cours de la formation du second mesa qui perce complètement le silicium, le contact avant 24 et le contact arrière 25 antérieurement formés ne sont pas affectés par le corrosif attaauant le silicium. Toutefois, dans le passé, les tentatives de fabrication d'un oscillateur a diode-avalanche presenta-nt-cette configuration, à partir de molybdène et -de silicium, ont été vaines. Au cours de l'opération de gravure qui permet au mesa arrière de venir en contact avec le mesa avant, l'interface entre le contact en molybdène avant et la région du type P+ a été attaquée dans une mesure telle que, dans de nombreux cas, le contact en molybdène avant a été complètement séparé de la surface du silicium. I1 est à noter que, bien que sur la Fig l les côtés de la diode 20 sont repré- sentés comme étant rectilignes et perpendiculaires aux contacts arrière et avant 25 et 24, respectivement, en réalité, en raison de la technique de formation de double mesas, ces côtés sont bombés, et atteignent un diamètre maximal à peu près en regard de la ligne en trait interrompu. La plaque de verre avec ses diodes montées, y compris la dio- de 20, est ensuite placée dans un solvant pour matière plastique pour libérer toutes les diodes individuelles. La diode 20 a une tension de percement comprise entre 100 et 130 volts. Lorsqu'une dissipation de chaleur est prévue, avec liaison entre la jonction redresseuse 29 et le dissipateur de chaleur, une puissance de 10 à 15 watts peut être dissipée avec une résistance thermique d'environ 10 à 150Q/watt. Sur les Fig. 2a et 2b est représentée une diode à barrière de Schottky à orientation superficielle 10. La première opération de l'un des procédés de formation de la disde 10 consiste à former une couche 6 de matière isolante telle que de la silice, par exemple, sur la surface du substrat 3 en silicium du type N+ avec une résistivité d'environ 0,008 à 0,015 oh@-cm @usqu'à obtention d'uns épaisseur d'environ 4000 par un procédé elassique quelconque tel que la eroissance thermique ou le dépôt par pyrolyse. Une ouverture 7 est formée dans la couche de silice 6 par des procédés classiques de photolithographie et de gravure pour exposer une partie du substrat 3. L'ouverture 7 est remplie d'un matériau 2 qui est du silicium du type N d'une résistivité d'environ 0,025 à 3,0 ohms-cm (la gamme de résistivité préférée étant de 1 à 2 ohms-cm) par des procédés classiques de dépôt épitaxial. Une seconde couche de silice 8 est déposée sur la première couche de silice 6 et sur le matériau 2 du type N jusqu'à concurrence d'une épaisseur d'environ 8000 , par exemple. Des ouvertures 9 sont pratiquées dans les deux couches de silice 6 et 8 pour exposer des parties du substrat par des procédés classiques de photolithographie et de gravure.Par des procédés classiques de diffusion, une impureté du type N est diffusée dans la partie de la surface du substrat exposée par les ouvertures 9 pour former les régions l-du type N++ qui ont chacune une résistivité d'environ 0,005 ohm-cm.Par des procédés classiques de photolithographie et de gravure, les ouvertures 9 sont rouvertes pour éliminer la couche de silice formée au cours de l'opération de diffusion précédente et l'ouverture 11 est pratiquée dans la couche de silice 8 pour exposer la région 2 du type N Pour former les contacts en tungstène 12 et 13 sur le substrat 3 des Fig. 2a et 2b, on place le substrat 3 sur un support 31 dans un appareil de pulvérisation à haute-fréquence classique 30, comme représenté sur la Fig. 3, le substrat 3, avec un certain nombre d'autres substrats, si on le désire, est maintenu sur le support 31 à l'intérieur de l'appareil 30. La plaque-de bombardement 32 est placée à proximité immédiate des substrats-de façon que ses surfaces principales soient parallèles à celles de ces derniers. La plaque de bombardement 32 comprend en fait une plaque de tungstène 33 superposée à une plaque de support métallique 34. La plaque de pulvdrisation métallique 32 (cathode) et le support de substrat 31 sont connectés électriquement à une source d'énergie (non repré sentée) extérieure à l'appareil 30. Le support du substrat 31 se comporte en outre comme un dissipateur de chaleur pour éliminer une partie de la chaleur qui est produite dans le substrat 3 au cours de l'opération de pulvérisation à haute-fréquence. De l'argon, sous une pression d'environ 5 à 15 microns dé mercure, est introduit à travers l'ouverture 35 dans l'appareil 30.De l'énergie haute-fréquence est appliquée entre le support de substrat 31 et la plaque de pulvérisation 32 à une fréquence d'environ 13 mégahertz, par exemple, pour former une couche de tungstène sur la surface du substrat en silicium, couche qui atteint une épaisseur de l'ordre de 1250 A, par exemple. Une fois que l'épaisseur désirée de tungstène est obtenue, l'application d'énergie haute-fréquence est interrompue et l'admission d'argon est-coupée pour permettre de retirer les substrats de l'appareil 30. Le substrat 3 peut rester dans 1 tappareil 30, avec remplacement de la plaque de tungstène 33 par une plaque d'or ou bien être placé dans un évaporateur classique pour déposer une couche 14 d'or sur la couche de tungstène. Le reil de nulvérisation. substrat 3 est ensuite retiré soit de l évaporatetr soit de Les contacts 12 et 13 sont formés soit par corrosion chimique, soit par pulvérisation inverse. Pour graver chimiquement les con î4 tacts, on recouvre la couche dtor de KMER/et on l'expose à un des sin lumineux. Les parties non polymérisées du KMER sont éliminées pour exposer des parties de la surface de la couche d'or en laissant recouverte la partie nécessaire pour former le contact redresseur 13 et les contacts ohmiques 12, comme représenté sur les Fig. 2a et 2b. Les parties exposées de la surface de la couche d'or 14 et de la couche de KMER sont soumises à une corrosion chimique par voie humide, par exemple au moyen d'une solution de cyanure, pendant un temps suffisant pour éliminer la couche d'or non masquée et pour exposer une partie de la couche de tungstène sous-jacente. La couche de tungstène exposée est soumise à une corrosion chimique, par exemple au moyen d'une solution basique de ferricyanure de potassium, pour éliminer la partie exposée de la couche de tungstène et former ainsi les contacts ohmiques 12 et le contact redresseur 15. Au lieu de former les contacts 12 et 13 à partir de la couche de tungstène par corrosion chimique par voie humide, on peut les former par pulvérisation inverse. Cette opération s'effectue après le dépit de la couche d'or sur la surface de tungstène. La surface de la couche d'or est revêtue d'une couche de KMER formant un dessin, comme précédemment décrit, avec des ouvertures définissant les parties de la couche d'or à éliminer et l'or non masqué est éliminé par corrosion par voie humide, comme précédemment décrit. Le substrat 3 revêtu de KMER est placé dans l'appareil de pulvérisation à haute-fréquence mais au lieu de former l'anode comme précédemment, le substrat est maintenant monté en cathode. En utilisant environ 500 watts d'énergie sous environ 1000 volts, le KMER est désagrégé par pulvérisation et est éliminé à raison d'environ 350 A par minute, par exemple. Ce taux d'élimination représente environ trois ou quatre fois le taux de pulvérisation du tungstène, mais le KMER est beaucoup plus épais, environ cinq fois plus épais que la couche de tungstène, par exemple (250.000 A contre 50.000 A, respectivement). Les parties non masquées de la couche de tungstène sont éliminées par pulvérisation inverse en 16 minutes environ aux niveaux de puissance et de tension indiqués, en formant ainsi les contacts en tungstène 12 et 15 avec leur couche d'or de revêtement 14. La jonction redresseuse tungstène-silicium présente d'excellentes caractéristiques directe et inverse. La tension de percement inverse Vbr > à 100 microampères environ est de l'ordre de 10 volts et la tension directe Vf est d'environ 0,6 volt à 10 milliampères. Les caractéristiques directes d'une jonction redresseuse- tungstène- silicium sont représentées sur la Fig. 4 où elles sont comparées avec celles d'une jonction redresseuse molybdène-silicium. La courbe 30aqui résulte de données dtessais effectués sur une diode au tungstène-silicium fabriquée comme représenté sur les Fig. 2a et 2b est si analogue à la courbe 31arésultant de données d'essais effectués sur une diode au molybdène-silicium comparable que les deux courbes sont confondues sur la Fig. 4. L'intensité If de chaque courbe croît de O à environ 1 milliampère lorsque la tension Vf croît de O à environ 0,5 volt, puis l'intensité croît à nouveau jusqu'8 environ 10 milliampères, valeur atteinte pour o,8 volt environ. Bien qu'une diode à orientation superficielle et un oscillateur à diode soient décrits pour mettre en évidence deux utilisations types de la jonction redresseuse tungstène-silicium, il est évident que d'autres configurations et d'autres dispositifs peuvent etre fabriqués avec des jonctions redresseuses tungstène-silicium. En outre, la jonction redresseuse suivant l'invention peut gtre utilisée comme l'une des jonctions d'un transistor. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits, elle est susceptible de nombreuses variantes, sans s'écarter pour autant de son cadre ou de son esprit. R E V E N D I C A T I O N S 1) Dispositif semi-conducteur à contact redresseur formé sur un substrat en silicium, caractérisé par une couche de tungstène appliquée sur une partie d'une surface du substrat en silicium, cette couche de tungstène établissant le contact redresseur avec ladite surface. 2) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé par le fait qu'une couche d'or est appliquée sur au moins une partie de la couche de tungstène. à3) Dispositif suivant la revendication 1, formant un dispositif/diode, caractérisé par le fait que la couche de tungstène sé- tend sur une couche isolante et traverse une couverture de celleci pour établir un contact redresseur avec la surface du substrat de manière à former une diode. 4) Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé par le fait qu'une région de type de conductibilité n est ineluse dans le substrat en silicium et s'étend jusqu'à une partie de la surface sous-jacente à une couche de tungstène, cette région du type n présentant une résistivité de l'ordure d'environ 0,025 à environ 5 ohms-cm. 5) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'un autre contact en tungstène est déposé sur la surface du substrat, cet autre contact établissant un contact ohmique avec le substrat en silicium. 6) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par une région semi-conductrice ayant une résistivité d'environ 0,25 à en virion 5 ohms-cm dans le substrat en silicium, région qui s'étend jusqu'à une partie de la surface du substrat sous-jacente à un pre- mier contact en tungstène, et une région du type n ayant une ré- sistivité inférieure à environ 0,005 ohm-cm dans le substrat en 51 licium et s'étendant jusqu'à une partie de ladite surface sous-ja- vente à un autre contact en tungstène.