Brevet FR2007395A1 — publié le 19700109

La présente invention concerne un dispositif semiconducteur comportant deux diodes à capacité variable dites varicap montées en pustL-pull. De tels dispositifs semi-conducteurs sont connus et 5 utilisés entre autres pour accorder des circuits oscillants. On utilise alors généralement deux diodes à capacité variable, appelées par la suite diodes varicap ; les diodes, chacune dans son enveloppe, sont montées en série et en opposition à l'aide de conducteurs de connexion extérieurs, la tension 10 de polarisation requise étant appliquée par l'intermédiaire du conducteur reliant les deux diodes. Ces diodes varicap doivent être telles que, d'une part, un rapport élevé entre les capacités Cmax et puisse être obtenu et que, d'autre part, le facteur de qualité de 15 ces diodes pour la commutation soit élevé. Lorsqu'on ne tient pas compte de la capacité de l'enveloppe et de l'inductance de la diode et des fils d'alimentation, il est possible de considérer une telle diode varicap comme étant constituée par le montage en parallèle de 20 la capacité de diode C et de la résistance R de la couche v p désertée, cette combinaison parallèle étant elle-même montée en série avec une résistance R_, formée par des résistances • S de contact et de trajectoire. Le facteur de qualité Q de la A diode varicap découle de son facteur Qg Œ ^na nr^ 25 Û) H C s v combinaison série, et de son facteur = (o dans une com binaison parallèle, la relation de ces facteurs Qg et Qp étant donnée par la formule QpQ- R (oR C 30 Q _ s .. P . « ▼ (1) .2r> TJ Qç+Qj, R_ 1+û) R_R„C 35 vs s p S V w désignant la pulsation de la tension de signal. La valeur R^ est généralement très élevée, de sorte qu'approximativement 40 Q - «a - —1 (2) " Es En pratique , le facteur de qualité de la diode varicap peut donc être augmenté uniquement par la réduction de 2 2007395 69 10062 la résistance en série. Dans lè cas par exemple d'une structure habituelle au silicium p+ - n - n"1", formée par un substrat de + \ type de conduction n , une couche épitaxiale de type de conduction n et une zone de conduction de type de conduction £_ dif-5 fusée dans la couche précitée, ladite résistance en série Rs peut être considérée comme étant formée par : IL = résistance de contact entre le conducteur de connexion et le silicium £_ • 3*2 = résistance de contact entre le conducteur de 10 connexion et le silicium n~t". Rj = résistance ohmique de la couche x>+« R^ = résistance ohmique de la couche n+» R^ = résistance ohmique de la couche n. On n'est pratiquement pas maître de la résistance R^ 15 dont la valeur est fonction de l'épaisseur de la couche désertée , de sorte qu'une réduction de la résistance en série ne peut être obtenue que par la réduction d'au moins une des résistances R^ à R^. L'invention permet de diminuer considérablement la 20 résistance en série des diodes varicap utilisées dans un montage tel que mentionné ci-dessus. L'idée de base de l'invention est qu'en formant les diodes varicap dans un même corps semi-conducteur, il devient possible de réaliser une structure donnant lieu à une 25 augmentation considérable de facteur de qualité de ces diodes. A cet effet, conformément à l'invention, un dispositif semiconducteur du genre mentionné ci-dessus est caractérisé en ce qu'il comporte un corps semi-conducteur monocristallin ayant trois zones successives dont les types de conduction 30 alternent d'une zone à l'autre, ces zones - appelées par la suite première, deuxième et troisième zones - étant séparées l'une de l'autre par lesdites jonctions p-n et munies d'un contact de connexion raccordé à un conducteur de connexion, la deuxième zone étant plus fortement dopée que la première et 35 la troisième. La mise en oeuvre de l'invention fournit entre autres les avantages suivants ï 1.- En ce qui concerne les fréquences élevées, le montage conforme à l'invention ne comporte, que deux résistances ^ de contact, alors que dans le montage habituel comportant deux 3 2007395 69 10062 diodes varicap, on utilise quatre résistances. 2.- La résistance ohmique entre les deux jonctions p-n est réduite considérablement. 3•- La capacité formée par l'enveloppe peut être 5 maintenue à une valeur pi-us faible. Suivant un mode de réalisation préféré de 1'invention, les jonctions p-n dans le corps s©mi-conducteur sont agencées de façon qu'elles soient situées l'une en face de l'autre dans des plans pratiquement parallèles ; ce faisant, on diminue 10 davantage la résistance ohmique entre les deux jonctions p-n® Suivant un autre mode de réalisation préféré de l'invention, les contacts de connexion sur la première et la troisième zone sont formés de manière simple par une quatrième zone agencée sur la première, et par une cinquième zone agencée 15 sur la troisième, le type de conduction de ces quatrième et cinquième zones correspondant respectivement à celui des première et troisième zones, toutefois moins fortement dopées que les zones précitées. De cette manière on peut facilement obtenir des 20 résistances de contact très faibles. Suivant un troisième mode de réalisation avantageux de l'invention, le dopage de la première zone est pratiquement égal à celui de la troisième zone, de sorte que l'on obtient deux diodes varicap symétriques. 25 L'invention est particulièrement intéressante pour : des modes de réalisation dans lesquels la deuxième zone est de type conduction £• En effet, on a constaté que, dans les montages habituels pour fréquences élevées, sur un matériau de type de conduction £, en particulier du silicium g , il est très 30 difficile d'obtenir une résistance de contact suffisamment faible» Dans le dispositif conforme à l'invention, le contact de connexion situé sur la deuxième zone n'est utilisé que pour l'application de la tension de polarisation s la résistance de contact correspondante n'exerce donc pratiquement aucune in-35 fluence en ce qui concerne la tension du signal haute fréquence. Suivant un mode de réalisation très important, le dispositif conforme à l'invention comporte un corps semiconducteur constitué par une structure stratifiée formée "oitaxialement sur un substrat. Une telle formation épitaxiale 4 2007395 69 10062 est particulièrement importanté, étant donné que le dopage désiré peut être réalisé de manière relativement simple à l'aide des techniques de croissance épitaxiale. Suivant un cinquième mode de réalisation important 5 conforme à l'invention, le corps semi-conducteur est constitué par irn substrat de conduction de type déterminé»- formant ladite deuxième zone, substrat dans une face duquel on a pratiqué deux creux adjacents qui contiennent les première, troisièmes quatrième et cinquième zones, réalisées sous forme de couches *10 épitaxiales, le premier de ces creux contenant dans l'ordre la première et la quatrième zone, alors que le deuxième creux contient dans l'ordre la troisième et la cinquième zones, les faces supérieures de la quatrième et la cinquième zones se trouvant pratiquement dans un mime plan correspondant à la 15 surface du substrat. Un sixième mode de réalisation important conforme à l'invention est caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est constitué par un substrat de conduction de type déterminé, formant ladite quatrième zone, substrat sur lequel sont agen-20 cées, par croissance épitaxiale§ des couches dont les types de conduction alternent de couche à couche, ces dernières formant lesdites première, deuxième, troisième et cinquième âones, la troisième et la cinquième zone n'étant de préférence agencées que sur une partie de la surface de la couche formant la deuxiè-25 me zone, la surface restante de cette couche portant tin contact de connexion. La troisième et la quatrième couches peuvent "être agencées de façon à occuper la surface entière de la deuxième couche, puis ces deux couches sont partiellement enlevées par Tin 30 outil mécanique et/ou un agent chimique jusqu'à ce que soit dénudée une partie de la deuxième couche. Il peut être avantageux, après le dépôt épitaxial, de recouvrir la deuxième couche d'une couche de masquage destinée à empêcher - ou du moins à contrecarrer - une croissance épitaxiale ultérieure, cette 35 couche étant par exemple en oxyde de silicium ; ensuite, la mise en oeuvre de procédés photolithographiques habituels permet d'enlever une partie de ladite couche de masquage, tandis que sur la surface dénudée de la deuxième couche sont appliquées épitaxialemént la troisième et la quatrième couches, 40 la couche de masquage étant ensuite enlevée et le dispositif 5 2007395 69 10062 muni de ses conducteurs de connexion nécessaires. Plusieurs matériaux semi-conducteurs conviennent à la fabrication d'un tel dispositif semi-conducteur, et particulièrement le silicium, le germanium ou l'arséniure de gallium, 5 matériaux ayant des propriétés électriques et technologiques très favorables pour la fabrication de diodes varicap. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. 10 La figure 1 montre schématiquement le circuit d'un dispositif semi-conducteur conforme à l'invention. La figure 2 est une coupe transversale schématique d'un dispositif semi-conducteur conforme à l'invention, représentant le corps semi-conducteur et les conducteurs de connexion 15 agencés sur celui-ci. La figure 3 est une coupe transversale illustrant un autre dispositif semi—conducteur conforme à l'invention. Les figures 4, 5 et 6 sont des coupes transversales montrant le dispositif de la figure 3 à trois stades de 20 fabrication successifs. Par souci de clarté, le rapport entre les différentes dimensions ne correspond pas à la réalité, notamment en ce qui concerne les épaisseurs. La figure 1 montre un dispositif semi-conducteur com-25 portant deux diodes varicap 0^ et O2 montées en push-pull, diodes dont les jonctions p-n et Jg (voir la figure 2) sont montées en série et en opposition, une tension de polarisation, fournie par la batterie E à résistance interne élevée, étant appliquée aux bornes des deux jonctions p-n. 30 En se référant à la figure 2, le corps semi-conducteur est formé par une structure stratifiée épitaxiale mono-cristalline en silicium comportant successivement une première zone (1) en silicium d'épaisseur 4}-'- , de type de conduction n et de résistivité moyenne égale à 0,62 fl.cm, une deuxième 35 zone (2) en silicium de type de conduction £ , de résistivité égale à 0,05 £2.cm, ainsi qu'une troisième zone (5) en silicium de type de conduction n de résistivité moyenne égale à 0,62 Si,cm, tandis que les contacts de connexion sont formés par une quatrième zone (4) et une cinquième zone (5) toutes deux de 40 type de conduction n et de résistivité égale à 0.,005 G. cm. s 2007395 69 10062 les zones 1,2 et 3 sont'séparées les unes des autres par les jonctions p-n et J"2 se trouvant l'une en face de l'autre, dans des plans pratiquement parallèles et formant les diodes varicap 0^ et Og (voir la figure 1) . La zone 2 5 porte un contact de connexion 6 , et les contacts de connexion 4- , 5 et 6 sont raccordés aux conducteurs 7 ? 8 et S • Les conducteurs S et S sont des fils d'alimentation, tandis que le conducteur 7 est formé par une plaque métallique à laquelle le corps semi-conducteur est soudé» 10 La zone 3 et la zone 5 ne recouvrent qu'une partie de la zone 2 de sorte que l'on peut facilement agencer des contacts sur la partie restante de sa surface. Seules les deux résistances de contact 8, 5 et 7» 4 sont importantes en ce qui concerne la tension IJ de signal 15 haute fréquence (voir la figure 1). Pour des diodes varicap habituelles p+n n+, ces résistances sont de l'ordre de quelques dixièmes d'ohm par diode pour une surface de jonction -mU- 2 ■p-n égal à 4.10 cm • Suivant le mode de réalisation conforme à l'invention, la résistance de contact totale est donc réduite 20 considérablement, et la résistance ohmique dans la zone p est réduite environ de moitié. Le dispositif représenté sur la figure 2 peut être réalisé par exemple par un procédé de croissance épitaxiale commandée - décrit par Jackson dans la revue "Transactions of 25 the ï.îetallurgical Society of AIME", volume 233, pages 596 à 602,. éditée en mars 1965 - à partir d'un substrat n+ sous forme d'un disque de silicium dont le diamètre est de 30 mm environ, de résistivité et d'épaisseur respectivement égales à 0,005 a.cm et 150}* . Plusieurs dispositifs conformes à 30 l'invention peuvent être disposés sur ce disque. Dans ce qui suit, on simplifie l'exposé par la description de 1'établisse* ment d'un seul élément, les différentes phases de fabrication étant effectuées chacune sur la totalité du disque. A une température d'environ 1050°C, la dissociation thermique du 35 produit SiCl^, additionné d'une dose appropriée de AsH^, assure sur le substrat la croissance - jusqu'à une épaisseur de 4]i. - d'une couche de type de conduction n, présentant un dopage correspondant à la caractéristique requise capacité-tension de polarisation, une résistivité moyenne ^0 de 0^62s2»cm et une concentration moyenne d'environ 10 atomes 7 2007395 69 10062 3 donneurs par cm , la concentration caractérisant le dopage /JO "T étant cependant inférieure à 3 .10 atomes/cm en tout endroit de la couche. L'alimentation en AsH^ est ensuite coupée et on ajoute au flux gazeux le produit pour former par 5 croissance épitaxiale une couche de type de conduction £ ayant une épaisseur de 10 u , une concentration d® environ 3,5.10 atomes/cm et une résistivité de 0,05.a» On forme ensuite à nouveau une couche de type de conduction n ayant comme la couche précédente de conduction n une épaisseur de 10 4 p. , une résistivité moyenne de 0,62.î2.cm, puis une dernière couche de type de conduction n ayant une épaisseur de 10 H- , une résistivité de 0,005 n.cm (concentration d'environ 10^ ato-mes/cm )• La moitié de chaque dispositif est ensuite recouverte d'un photomasque appliqué par la mise en oeuvre de procédés de 15 décapage photolithographiques généralement utilisés dans la technique des semi-conducteurs. Par décapage à l'aide d'un mélange de HHO^ et de HF, le silicium est ensuite éliminé sur une épaisseur d'environ 16 p-, après quoi, par la mise en oeuvre d'un autre décapage photolithographique, une couche d*al>-20 fflj-nl.um est appliquée aux endroits sur lesquels doivent être agencés des contacts. Enfin, les dispositifs dont chacun couvre une surface d'environ 300 x 300 H- sont séparés l'un de l'autre, et chaque dispositif est muni de ses fils d'alimentation suivant un procédé d'impression à chaud, ledit 25 dispositif étant finalement introduit dans une enveloppe» La figure 3 est une coupe illustrant un autre mode de réalisation d'un dispositif semi-conducteur conforme à l'invention» Les éléments correspondants des figures 2 à 6 sont indiqués par les mêmes chiffres. Le corps semi-conducteur 30 est constitué par un substrat 2 en silicium de type de conduction £, deux creux adjacents 12 et 13 (voir la figure 3) étant pratiqués dans une face de ce substrat formant ladite deuxième zone. Chaque creux contient une couche de silicium épitaxiale 1, 3 de type de conduction n ; la couche 1, qui 35 forme la première zone, porte une couche n* 4 plus fortement dopée et formant la quatrième zone, tandis que la couche 3 formant la troisième zone, porte une couche 5 identique à la couche 4 formant la cinquième zone. Les faces supérieures de ces couches 4 et 5 sont situées pratiquement dans le an de la face 11 du corps semi-conducteur. Chaque zone 2, 8 2007395 69 10062 4 et 5 porte un conducteur -de connexion respectivement 9 7 et 8. Au besoin, le conducteur 9 peut être appliqué sur la face 11 en vue d'obtenir un dispositif planaire dont les contacts se trouvent sur la même face. 5 Le dispositif de la figure 3 peut être obtenu par la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. Suivant une technique décrite dans le brevet suisse N° 445 64-3, on part alors d'un substrat 2 en silicium de type de conduction £ ayant une épaisseur de 150 )* et une résistivité de 0,05 n.cm j dans 10 une face (voir la figure 4) de ce substrat, on pratique deux creux adjacents 12 et 13 présentant chacun une profondeur de 10pi et obtenus par décapage chimique ou à l'aide d'un outil mécanique. Par croissance épitaxiale commandée décrite telle que précédemment, on forme sur ce substrat 2 une couche épi-15 taxi aie 14 de type de conduction n, d'épaisseur éga3e à 4}i et de résistivité moyenne égale à 0,62 fi»cm ; on obtient ainsi la structure représentée sur la figure 5 à partir de laquelle on forme épitaxialement sur la couche 14 - une couche 15 de type de conduction n+ - couche ayant une épaisseur d'environ 10 p et 20 une résistivité de 0,005 n.cm. La face portant les couches épi-taxiales du dispositif obtenu (figure 6) est ensuite meulée, de sorte que l'on obtient le dispositif représenté sur la figure 3 après mise en place des conducteurs 7> 8 et 9. La résistance ohmique dans la zone 2 est plus 25 grande dans ce dispositif que dans celui suivant la figure 2, mais le premier offre l'avantage que deux opérations de croissance épitaxiales suffisent à fabriquer une structure parfaite- . ... + + + + + + ment symetrique n np nn ou p pn pp « Bien que l'invention soit décrite à l'aide de formes 30 de réalisation et d'application déterminées,lê technicien pourra en réaliser de nombreuses variantes sans sortir du cadre de l'invention, d'autres procédés par exemple pouvant être mis en oeuvre. Il est notamment parfois avantageuc qu'après sa formation par croissance épitaxiale, la deuxième couche soit re-35 couverte d'une couche de masquage, par exemple en oxyde de silicium, empêchant ou contrecarrant une croissance épitaxiale ultérieure, une partie de cette couche étant ensuite enlevée pour permettre sur la partie ainsi dénudée, la croissance des troisième et quatrième couches, la couche de masquage étant en-40 suite totalement enlevée. 9 2007395 69 10062 Le dopage peutr également différer de couche à couche, la nature de chaque dopage étant choisie suivant les exigences posées aux capacités. Le substrat choisi dans le premier exemple peut former la deuxième zone au lieu de la quatrième, les 5 couches épitaxiales étant alors formées sur les deux faces principales de la deuxième zone. En effectuant les dopages de façon que les types de conduction qui en résultent soient opposée à ceux donnés dans les exemples, on obtiendra des dispositifs complémentaires à ceux décrits en ce qui concerne 10 le dopage. 10 2007395 69 10062 REVENDICATIONS 1.- Dispositif semi-conducteur comportant-deux diodes de type varicap dont les jonctions p-n sont montées en push-pull, caractérisé en ce qu'il comporte un corps semi-conducteur 5 monocristallin ayant trois zones successives dont les types de conduction alternent d'une zone à l'autre, cies zones -appelées par la suite première, deuxième et troisième zones -étant séparées l'une de l'autre par lesdites jonctions p-n et munies chacune d'un contact de connexion raccordé à un 10 conducteur de connexion, la deuxième zone étant plus fortement dopée que la première et la troisième de ces zones, 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les jonctions p-n sont agencées de façon qu'elles soient situées l'une en face de l'autre dans des plans prati- 15 quement parallèles. 3.- Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les contacts de connexion sur la première et la troisième zones sont formés de manière simple par une quatrième zone agencée sur la 20 première, et par une cinquième zone agencée sur la troisième, le type de conduction de ces quatrième et cinquième zones correspondant respectivement à celui des première et troisième zones, toutefois moins fortement dopées que les zones précitées. 25 4.- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dopage de la première zone est pratiquement identique à celui de la troisième zone. 5,- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième zone est de type 30 de conduction j>. 6»- Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est constitué par une structure stratifiée formée épitaxialement sur un substrat. 35 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est constitué par un substrat de conduction de type déterminé formant ladite deuxième zone, substrat dans une face duquel on a pratiqué deux creux adjacents qui contiesmeat les première, troisième. n 2007395 69 10062 quatrième et cinquième zones, réalisées sous forme de couches épitaxiales, le premier de ces creux contenant dans l'ordre : la première et la quatrième zones, alors que le deuxième creux contient dans l'ordre la troisième et la cinquième zones, 5 les. faces supérieures de la quatrième et de la cinquième zones se trouvant pratiquement dans un même plan correspondant à la surface du substrat. 8.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est constitué par un substrat 10 de conduction de type déterminé, formant ladite quatrième zone, substrat sur lequel sont agencées, par croissance épitaxiale, des couches dont les types de conduction alternent de couche à couche, ces dernières formant lesdites première, deuxième, troisième et cinquièmes zones, la troisième et la cinquième 15 zones n'étant de préférence agencées que sur une partie de la surface de la couche formant la deuxième zone, la surface restante de cette couche portant un contact de connexion. .9.- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est 20 en silicium. 10.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est en germanium, 11.- Dispositif selon l'une des revendications 25 1 à 8, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est en arséniure de gallium. 12.- Dispositif selon l'une des revendications, précédentes, caractérisé en ce qu'une tension de polarisation de sens bloquant est appliquée aux bornes des deux jonctions 30 p-n des diodes.