Brevet FR2012010A1 — publié le 19700313

6,2,8,6 «ww L'invention est relative à la - tecfcïiolggie-. feç -,s §mic. ondoie-teurs et concerne plus particulièx-ement un dispositif semiconducteur notamment pour un circuit de bascule et comportant un corps ser;conducteur plan limité par d--ux faces_principales rratiquement parallèles munies de 5 contacts ce connexion entre :..lësquê.Iles./s'-^j;;endent successivement un premier domaine d'un premier type de conduction avoisinant la première face principale, un deuxième domaine dë- tjrpe ~'è conduction opposé, et un troisième domaine dudit premier type de conduction avois-inant la deuxième face principale, ces trois domaines étant séparés par deux jonctions p-n qui sur 10 pratiquement leur surface entière sont parallèles,auxdites,faces- principales. . - De tels dispositifs sont connus et trouvent-un" large emploi dans des bascules. Dans la technique de commutation, lesdits dispositifs sont connus sous le nom "Hiac" (Voir â ce sujet- par exemple la-publication 15 "Funkschau"volume parue en 1968, pages 5 à 28, en particulier la fig. 8). ' ----•• - : • - Pour une même tension entre les contacts de connexion, un tel dispositif peut se trouver dans deux états d'équilibre différents et forme donc un élément bistable. Dans l'un des des états, â_savoir l'état 20 "bloqué, l'intensité du courant traversant le dispositif est considérablement inférieure à celle se rapportant à l'état passant. A partir de l'état bloqué^ l'accroissement de la tension entré les contacts de connexion est de nature à faire passer l'élément bistable de cet état dàns "l'état- passant" pour une tension déterminée. Par l'interruption du courant, l'élément bi-25 stable peut à nouveau être amené dans l'état bloqué. Les dispositifs connus du genre décrit ont l'inconvénient que leurs propriétés électriques, et en particulier la tension â laquelle les dispositifs passent de l'état bloqué dans l'état passant, sont très sensibles â des variations se produisant à la surface semiconductrice où 50 les jonctions p-n affleurent., _ Par rapport â des structuras p-n-p-n par exemple, les dispositifs connus en question ont en outre l'inconvénient que leur résistance est encore relativement élevée également dans 11 état.passant. L'invention fournit une structure dans laquelle les incon-35 vénients inhérents aux "ispositifs connus sont empêchés ou du moins diminués dans une large mesure. L'invention repose sur l'idée qu'en éloignant l'une de l'autre les jonctions p-n entre le premier, le deuxième et le troisième domaine aux endroits où elles affleurent la surface et en incorporant aux-40 dite endroits également une structure à cinq couches, il est possible d'ob- BAD ORIGINAL 69. 218:6. 2 2012010 tenir un dispositif qui, comparé aux dispositifs connus, ëst beaucoup moins sensible à les variations de courant de fuite"â la surface semiconductrice, alors qu'également pendant et après le passage de l'élément de l'état bloqué vex's l'état passant, la chute de tension aux bornes de dis-5 positif est ramenée à' une valeur minimale. Conformément â l'invention, un dispositif semiconducteur du genre mentionné dans le préambule est donc caractérisé en ce que le deuxième domaine est formé par une partie centrale d'épaissëur plus réduite, et une partie périphérique s'étendant jusqu'au bord de la plaque 10 semiconductrice et présentant une épaisseur plus forte, que des zones superficielles dudit type de conduction opposé sont agencées dans les parties du premier et du troisième domaine situées entre ladite partie périphérique et une face principale, et qu'au moins une partie de chaque face principale est recouverte d'une couche-électrode contactant tant le pre-15 mier et' le troisième domaine respectifs que la zone superficielle avoisi-nant la face principale correspondante. Le dispositif conforme à l'invention a l'avantage que l'élément bistable est pratiquement insensible à des variations de courant de fuite à la surface du fait de l'extension du trajet de fuite au bord de la 20 plaque semiconductrice entre les jonctions p-n dont une sépare le premier et le deuxième domaine et l'autre le deuxième et le troisième .domaine. Lors du passage de l'état bloqué vers l'état passant, la "chute de tension aux bornes du dispositif diminuera én outre jusqu'à une' valeur' qui correspond à la chute de tension aux bornes d'une structure p-n-p-n, cette chute 25 de tension étant en général considérablement inférieure à celle aux bornes d'une structuré â trois couches dans l'état passant. Ceci résulte du fait - " que"lors de l'accroissement de la tension aux bornes du dispositif, les phénomènes suivants entrent en action. A l'atteinte de -ïa tension d'amorçage, la structure p-n-p ou n-p-n, située dans la partie centrale* de la 30 plaque semiconductrice, passe de l'état bloqué dans l'état passant. Dans ladite partie périphérique du deuxième domaine, des "grandes quantités de porteurs de charge minoritaires sont alors injectées, ce dont il résulte une fortë modulation de conduction dans ladite partie. De ce fait, une des structures p-n-p-n, constituées par le premier, le deuxième et le troi-35 sième domaine et une desdites zones superficielles, est amenée de l'état T ' - " bloqué S. r« état passant, la chute de tension aux bornes du dispositif diminuant ainsi jusqu'à une valeur pratiquement égale â la chute de tension aux box-nes de ladite structure p-n-p-n, cette chute de tension étant de l'ordre de 1 volt. 40 L'épaisseur de la partie périphérique du deuxième domaine BAD ORIGINAL 69 21816 3 2012010 doit alors être telle qu'une modulation de conduction suffisamment forte dans ladite partie périphérique puisse être réalisée par l'injection se produisant par amorçage de la structure centrale p-n-p ou n-p-n. Une telle modulation ne sera plus possible lorsque ladite épaisseur est trop grande, 5 de sorte qu'il ne se produit aucun amorçage de la structure stratifiée périphérique» L'épaisseur maximale de ladite partie périphérique du deuxième domaine dépend de la durée de vie des porteurs de charge minoritaires dans cette partie. Pour éliminer dans la mesure du possible ledit courant de 10 fuite â la surface périphérique de la plaque semiconductrice, l'épaisseur de la partie périphérique du deuxième domaine est de préférence choisie au moins égale au double de l'épaisseur de la partie centrale. Pour former le corps semiconducteur, on a le choix parmi un grand nombre de matériaux semiconducteurs, les divers domaines pouvant 15 en outre être formés par des matériaux semiconducteurs de nature différente. De préférence,toutefois, le corps semiconducteur est réalisé entièrement en silicium, pour des raisons se rapportant entre autres aux avantages technoliques se manifestant lors de la fabrication. Il est avantageux alors lorsque la concentration caracté- 17 20 risant le dopage du deuxième domaine est comprise entre environ 5.10 et 18 3 10 atomes.cm , notamment à l'égard des valeurs intéressantes se produisant alors en ce qui concerne la tension de passage entre l'état bloqué et l'état passant du dispositif. Suivant un mode de réalisation préféré important, l'épais-25 seur de la partie centrale du deuxième domaine est comprise entre environ 10 et 20yu. Pour une telle épaisseur, le dopage étant tel que spécifié ci-dessus, il se produit pour la structure p-n-p ou n-p-n située au milieu de la plaque semiconductrice, un rapport optimal entre la tension de passage et la chute de tension dans l'état passant qui se produiraient 30 pour cette structure à trois couches en absence de la structure â cinq couches dans la partie périphérique. Il en résulte qu'également la. caractéristique courant-tension du dispositif est améliorée, notamment par l'injection dans la partie périphérique du deuxième domaine et réalisant l'amorçage du bord de la plaque semiconductrice. 35 Suivant un autre mode de réalisation important, le deuxième domaine est en silicium de type de conduction n, les zones superficielles formant donc des transistors n-p-n avec le deuxième et le premier domaine, respectivement le deuxième et le troisième domaine. On sait que de tels transistors ont un facteur d'amplification plus grand que les transistors 40 p-n-p présentant pour le reste les mêmes dimensions et concentrations de 69 21316 4 2012010 dopage, étant donné que la mobilité des électrons dans le silicium est considérablement supérieure à celle des trous. L'amorçage des bord* est facilité par le facteur d'amplification plus élevé de ces transistors n-p-n. 5 Un procédé particulièrement élégant permettant la fabrica tion du dispositif conforme â l'invention est caractérisé en ce que les deux faces principales d'une plaque semiconductrice dudit type de conduction opposé sont munies d'une couche de verre comportant un premier matériau dudit premier type de conduction, cette couche de verre étant ensuite 10 enlevée de la partie centrale de la plaque semiconductrice, après quoi, par une seule opération,*on diffuse simultanément dans cette plaque un deuxième matériau de dopage dudit premier type de conduction, présentant une concentration superficielle inférieure â celle du premier matériau, ainsi qu'un troisième matériau de dopage dudit type de conduction opposé," 15 qui est masqué par la couche de verre, ce troisième matériau présentant une concentration superficielle plus élevée et une constante de diffusion plus réduite que les valeurs correspondantes du deuxième matériau de dopage, de sorte que dans le domaine périphérique de la plaque, on a formé une structure â cinq couches et dans son domaine central une structure â 20 trois couches, après quoi en éliminant du matériau de la surface périphérique de la plaque les jonctions p-n formées sont dénudées. Suivant ce procédé, on obtient au cours d'une seule diffusion la structure semiconductrice entière du dispositif, de nombreux dispositifs de ce genre pouvant être fabriqués sur une seule plaque semicon-25 ductrice. La descriptioni suivante, en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La fig. 1 est une vue en plan d'une plaque semiconductrice 30 comportant un certain nombre de disposififs conformes à, l'invention, représentés dans un certain stade de leur fabrication. Les fig. 2, 3j 4 et 5 illustrent quatre stades successifs de fabrication de la plaque semiconductrices suivant la fig. 1, chaque fois une partie de plaque étant représentée en coupe transversale suivant 35 le plan II-II de la fig. 1. La fig. 6 est une coupe transversale d'un dispositif conforme à l'invention, obtenu par la mise en oeuvre du procédé décrit par référencé aux fig. 2, 3 et 4. La fig. 1 est la vue en plan d'un disque en silicium de 40 diamètre 24 mm et d'épaisseur 115^u. Sur un tel disque, -il est possible de BAD ORIGINAL 69 21816 2012010 former environ 250 dispositifs du genre décrit ci-après, un nombre plus petit de dispositifs ayant été représentés exagérément- agrandis par rapport au diamètre de disque par souci' de clarté "*.è' la" fig. 1. Le dispositif, limité par les traits A, B, Q et D sur la fig. 1, est représenté sur 5 la fit', c en coupe transversale schématique suivant le plan II-II de la fig. 1."La. fig. 6 montre que le dispositif comporte uh" corps semiconducteur en silicium sous forme ce plaque, limité par d'eux "faces 'principales pratiquement parallèles (1), (2), munies de contacts de connexion (3), (4) et entre lesquelles s'étendent successivement un_premiër domaine (5) 10 en silicium dë type de conduction p, un deuxième domaine (6), (7) en silicium de type"de conduction n,"ayant une résistivité d'environ 0,03 17 ohm;cm et une concentration de dopage pratiquement homogène de 7»10 atomes donneurs/cm3, et un troisième domaine (8)' en silicium de type de conduction p. Une jonction p-n dont toute la surface est pratiquement pa-15 râllèle à la face (1) se trouve entre le premier domaine ('5) et le deuxième domaine (6), (7)» une autre jonction p-n (10) faisant dé"mime en ce qui concerne ledit deuxième domaine (6), (7) et le troisième domaine (8). Conformément â l'invention, le deuxième domaine est formé par une partie centrale (6) d'épaisseur 15^u, et une partie périphériqué (7) d'épaisseur 20o5yu s'éteixdanb jusqurau bord de la plaqué. Dans les parties du premier domaine (5) et du troisième domaine (8), àituéés entre- la partie périphérique (7)» la face principale (1) et la face principale (2), on a agencé deB zones superficielles (11) et (12), de type de-conduction n. La face principale (l) est couverte d'une couche métallique (3) faisant contact 25 ohmique avec le premier domaine (5) et la zone (11), la face principale (2) étant couverte d'une couche métallique (4) faisant contact avec le troisième domaine (8) et la zone (12). Le dispositif fonctionne comme suit. Lorsque par rapport à la couche-électrode (4)j on applique une tension négative et augmente 30 celle-ci progressivement, il se produira à la jonction p-n (9) un effet d'avalanche pour une tension d'environ 30 volts, ce dont il resuite que de l'état bloqué caractérisé par une très faible 'intensité de courant, la structure p-n-p, formée par les domaines (5)5 (6) et (8),' passe dans l'état passant caractérisé par une intensité de courant plus élevé et une 35 chute de tension d'environ 20 volts aux bonnes de ladite structure, sous l'influence de l'effet transistor qui se produit par l'épaisseur relativement faible du domaine (6) pour cette structure â trois couches. Dans cet état passant, il se produit une' injection de trous intense dans le domaine (6) de conduction n ainsi que dans le domaine (7)t 40 dans lesquels est réalisée ainsi une modulation de conduction. 3n raison BAD ORIGINAL 69 21816 2012010 de celle-ci, la structure p-n-p-n, formée par les domaines (3'., (£), (5) et (11), ^t qui, jusqu'à cet instant, se trouvait dans l'état tlaqué par suite le l'épaisseur relativement grande et la r 'sistivité. élevée du domaine (?)» est maintenant amorcée. La chute le tension aux tomes de cette p structure p-n-p-n diminue, ie sorte que diminue aussi la 3fcute de tension aux bornes du dispositif entier entre les électrodes (3)» (4) jusqu'à une valeur d1 --nviron 1 volt, l'état stable convenablement conducteur du dispositif étant aussi atteint. Jn raison de la symétrie du dispositif, l'application d'une 10 tension dans le sens opposé entre les électrodes (3), (4) donnera lieu à une suite de phénomène identiques, la structure active p-n-p-n étant maintenant formée par les domaines (5)» (6), (8) et (12). Au bord de la plaque en silicium,, le courant de fuite et, par conséquent, l'instabilité des propriétés électriques du dispositif 15 conforme à l'invention ont été réduits considérablement, du fait qu'audit bord, la distance"entre les jonctions p-n (9) et (10) est quatre fois plus grande que celle séparant les jonctions au centre. Les caractéristiques d'amorçage de la structure à trois couches dans la partie centrale sont devenues de ce fait pratiquement indépendantes des conditions régnant â la 20 surface du bord. Le dispositif décrit peut être fabriqué de façon très simple "de la manière décrite ci-après. On part d'un disque en silicium de. type de conduction n, ayant une résistivité d'environ 0,03 ohm.cm (concentration "17 de dopage 7-10 atomes donneurs/cm ), un diamètre 24 mm et une épaisseur 25 115^/u. La fig. 1 montre ce disque en vue en plan, la fig. 2 le montrant en coupe transversale partielle suivant le plan II-II de la fig. 1.. Sur ce disque, on applique ensuite des couches de verre au silicate de bore en portant le disque à une température de 500°C dans un courant d'azote additionné de tétra-éthoxysilane dopé au triéthylb.or.ane â 50 raison d'environ en volume» Après 25 minutes, il s'est formé ainsi sur le silicium une couche de verre (15) d'épaisseur 0,4^u (voir la fig. 3), ce verre servant de source pour les diffusions spécifiées ci-après. Par la mise en oeuvre ae procédés de photoréservation généralement utilisés dans la technique des semiconducteurs, ladite cotiche de 35 verre est ensuite partiellement décapée jusqu'à ce qu'il en résulte la configuration illustrée sur la fig. 1; les fenêtres de verre su-bsistantes (l'i) (voir également la f:'g, 4) mesurent 500 x 500yti et sont séparées par des trajets où le verre a été décapé, larges de 500yu. Dans une capsule de quartz évacuée scellée, le disque en IjO silicium est ensuite soumis à une diffusion en présence d'une source formée BAD ORIGINAL 69 21816 7 2012010 par de la poudre de silicium dopé au bore et ayant une concentration de 18 3 dopage de 7'10 atomes.cm , ainsi que d'une source formée par de la poudre de silicium dopé à l'arsenic et présentant une concentration de dopage de 19 3 2.10 atomes.cm , la diffusion ayant lieu à une température de 1280°C 5 pendant 40 heures. Les parties (4) de la couche de verre forment alors 20 une source de diffusion â concentration superficielle de 5»10 atomes de bore/cms, les deux autres sources de diffusion donnant lieu à des concentrations superficielles qui sont égales â celles de la poudre correspondante de silicium dopé. 10 Par suite de cette diffusion pour laquelle la constante de diffusion de l'arsenic est considérablement inférieure à celle du bore, on obtient la structure illustrée sur la fig. 5 après un rinçage dans une solution d'acide fluorhydrique pour enlever les couches de verre; l'épaisseur des domaines (5) et (8) de type de conduction p est de 50yu, celle 15 des domaines (11) et (12) de 10^u, et celle des domaines (7) de 65^1. Les domaines intermédiaires (6), (15) et (16) ont donc tous une épaisseur de 15/tu Le disque est ensuite recouvert d'une couche de nickel (5)» (4) (voir la fig. 6) formée par nickelage non-électrolytique. Cette couche 20 est ensuite dopée après quoi la découpe du disque suivant les traits A^ B, C, L de la fig. 1 fournit les dispositifs individuels dont un est représenté en coupe sur la fig. 6. Le bord de ces dispositifs subit encore un décapage devant éliminer les défauts cristallins qui se sont produits éventuellement â la surface et qui sont de nature à influencer défavorable-25 ment les propriétés électriques des jonctions p-n. Les électrodes (3) et (4) sont ensuite munies de conducteurs de connexion, l'ensemble étant finalement agencé dans une enveloppe appropriée. Bien que l'invention soit décrite â l'aide de formes de réalisation et d'application déterminées, le technicien pourra en réaliser 30 de nombreuses variantes sans sortir du cadre de l'invention. Il n'est pas nécessaire par exemple que le matéàiau semiconducteur soit du silicium, car d'autres matériaux semiconducteurs conviennent également. La forme géométrique de la structure ne doit pas nécessairement être celle illustrée sur les figures, mais peut en différer sensiblement, â condition de res-35 pecter les particularités essentielles pour obtenir l'effet de l'invention et décrites dans le présent exposé. 69 21816 8 2012010 HEVSHBICATIONS Î 1. Dispositif semiconducteur notamment pour un circuit de "bas cule et comportant un corps semiconducteur plan limité par deux faces principales pratiquement parallèles munies de contacts de connexion entre les— 5 quelles s'étendent successivement un premier domaine d'un premier type de conduction avoisinant la première face principale, un deuxième domaine de type de conduction opposé, et un troisième domaine dudit premier type de conduction, avoisinant la deuxième face principale, ces trois domaines étant séparés par deux jonctions p-n qui sur pratiquement leur surface en-10 tière sont parallèles auxdites faces principales, caractérisé en ce que le deuxième domaine est fontfé par une partie centrale d'épaisseur plus réduite, et une partie périphérique s'étendant jusqu'au bord de la plaque semiconductrice et présentant une épaisseur plus forte, que des zones superficielles dudit type de conduction opposé sont agencées dans les parties 15 du premier et du troisième domaine situées entre ladite partie périphérique et une face principale, et qu'au moins une partie de chaque face principale est recouverte d'une couche-électrode contactant tant le premier et le troisième domaine respectifs que la zone superficielle avoisinant la face principale correspondante. 20 2. Dispositif semiconducteur suivant 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la partie périphérique du deuxième domaine est au moins égale au double de celle de la partie centrale de ce domaine. 3. Dispositif semiconducteur suivant 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps semiconducteur est en silicium. 25 4. Dispositif semiconducteur suivant 3» caractérisé en ce que la concentration caractérisant le dopage du deuxième domaine est comprise i 1 *î s entre environ 5.10 et 10 atomes.cm3. 5. Dispositif semiconducteur suivant 4» caractérisé en ce que l'épaisseur de la partie centrale du deuxième domaine est comprise entre 30 environ 10 et 20yu. 6. Dispositif"semiconducteur suivant au moins une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le deuxième domaine est en silicium de type de conduction n. 7- Procédé permettant la fabrication d'un dispositif semicon- 35 ducteur suivant au moins une des revendications précitées, caractérisé en ce que les deux faces principales d'une plaque semiconductrice dudit type de conduction opposé sont munies d'une couche de verre comportant un premier matériau dudit premier typérdeuconduction, cette couche de verre étant ensuite enlevée de la partie centrale de la plaque semiconductrice, 40 après quoi, par une seule opération, on diffuse simultanément dans cette bad original 69 21816 s 2012010 plaque un ieuxiÊne catériau de dopage dudit premier type -de cbnëùction, présentant"une coni-nrration superficielle inf'ri-ure â celle du premier natériau, ainsi qu'un- troisiène matériau te dopage dud"it type de conduction opposé, tu- est masqué par la ' couche "-'e verre, ce trôis'iène matériau 5 présentant une con •• entrât ion superficielle plus élevée et une constante de diffusion plus réduite que les valeurs correspondantes du deuxième matériau de iopage, de sorte que dans le domaine périphérique de "la plaque, on a formé une structure à cinq couches et dans sont' domaine" central une structure à trois couches, après quoi en éliminant du matériau de la sur-10 face, périphérique de la plaque les jonctions p-n- formées sont dénuées. bad original