Brevet FR2046969A1 — publié le 19710312

La présente invention concerne les diodes à avalanche à effet Schottky et élle a trait plus particulièrement à une diode métal-' semiconducteur comportant un dissipateur de chaleur déposé sur la pellicule métallique. 5 .Dams la fabrication de diodes semiconductricès pour des appli cations nécessitant de hauts niveaux d'énergie par unité de surface, on a rencontré des difficultés considérables pour fixer la pastille semiconductfice sur un dissipateur de chaleur approprié. En particulier, la pastille semiconductrice a un diamètre compris entre en-10 viron 0,075 et 0,2 mm et elle est difficile à manipuler. Même lorsque des procédés satisfaisants ont été mis.au point pour fixer ces pastilles sur un dissipateur de chaleur approprié, la résistance au passage de la chaleur est inférieure à la valeur correcte. Cela est principalement dû à la formation d'une interface de mauvaise 15 qualité entre la pastille semiconductrice et le dissipateur de chaleur. Avec des procédés classiques de montage par ultrasons ou par compression à chaud, les chances que l'on a de former une barrière de Schottky tout en maintenant une uniformité de claquage sont ex-20 trêmement réduites. Cela est principalement imputable à la contrainte mécanique exercée sur la mince couche formant barrière et au fait qu'il se pose des problèmes en ce qui concerne le bord de l'assemblage lorsqu'un métal doux (tel que de l'argent) est utilisé dans le processus de liaison. Dans les techniques de montage con-25 nues, le métal doux entre souvent en contact avec la surface semi-conductrice, ce qui détruit la barrière de Schottky ou affecte ses caractéristiques de fonctionnement. L'invention a pour but de fournir une diode métal-semiconduc-teur résistant mieux au passage de la chaleur lorsqu'elle est mon-30 tée sur un dissipateur de chaleur. L'invention à également pour but de fournir un procédé de fabrication d'une diode métal-semiconduc-teur comportant un dissipateur de chaleur. L'invention a également pour but de fournir une diode métal-semiconducteur comportant un dissipateur de chaleur plaqué sur la couche de métal de la jonc-35 tion redresseuse. L'invention a également pour but de fournir un procédé de fabrication d'un dissipateur de chaleur pour diode métal-semiconducteur présentant une moindre résistance parasite. Suivant l'invention, on forme un monocristal d'une matière semiconductrice par croissance épitaxiale sur un substrat présentant 40 une concentration relativement élevée en impuretés. Le cristal 70 22778 2. 2046969 formé par croissance épitaxiale contient une faible concentration en impureté par comparaison avec le substrat semiconducteur. Une pellicule métallique est formée sur la couche épitaxiale qui présente, par rapport au substrat semiconducteur, une barrière ayant un 5 niveau suffisant pour établir avec celui-ci un contact redresseur. Pour améliorer la résistance au passage de la chaleur, un dissipateur de chaleur est déposé sur la pellicule métallique formant le contact redresseur. Le dépôt du dissipateur de chaleur établit une bonne interface entre la pellicule métallique de la diode et ce 10 dissipateur. Suivant un mode particulier de réalisation de l'invention, un cristal de silicium de type N~ est formé par croissance épitaxiale sur un substrat en silicium de type N+. Une. pellicule d'un métal tel que le titane, le tungstène, le molybdène ou le tantale est dé-15 posée par évaporation sur le cristal épitaxial de manière à constituer avec ce dernier une jonction redresseuse. Du cuivre est ensuite déposé sur la pellicule métallique, sur une épaisseur déterminée en vue d'assurer une évacuation appropriée de la chaleur à partir du contact redresseur. 20 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les Fig. 1 à 5 sont des vues en coupe d'une structure métal-semiconducteur montrant les différentes phases de fabrication de 25 diodes à barrière Schottky; - la Fig. 6 est une vue en coupe d'une diode montrant les rela tions entre ses différentes dimensions. On peut utiliser comme matière première servant à la fabrication de diodes à barrière de Schottky suivant l'invention du sili-30 cium à faible résistiyité et forte concentration en impuretés. Ce substrat 10 représenté sur les dessins peut avoir en particulier une épaisseur comprise entre 100 et 150 microns pour avoir le volume nécessaire pour faciliter sa manipulation au cours du processus de fabrication. On peut utiliser d'autres matières que le silicium 35 pour constituer 1-e substrat 10. La première phase du procédé de fabrication de diodes métal-semiconducteur consiste à former par croissance épitaxiale une couche monocristalline 12 sur le substrat 10. On peut utiliser l'un des procédés de croissance épitaxiale bien connus. Suivant une 40 technique classique de traitement en phase gazeuse, le rapport des 70 22778 3. 2046969 atomes de silicium'(en supposant qu'il s'agit d'un substrat en silicium) aux atomes d'impureté dans la phase gazeuse est réglé de façon que la couche 12 contienne la teneur désirée en impureté. En changeant le type d'impureté ou bien sa concentration dans la phase 5 gazeuse, on peut modifier pratiquement sans limitation, les valeurs désirées de résistivité élevée et de concentration faible en impureté, ce problème pouvant être résolu sans faire appel à des procédures de compensation. A partir d'un substrat 10 relativement épais formé de silicium 10 à faible résistivité de type N+, il est possible de former par croissance épitaxiale une mince couche 12 (de l'ordre de 5 microns pour un dispositif opérant à une fréquence de 10 GHz) de silicium à haute résistivité et de type N~, sur la partie supérieure du substrat. Le substrat 10, du fait de sa résistivité extrêmement faible, 15 constitue un conducteur et n'altère pas la caractéristique électrique du dispositif. Après formation par croissance épitaxiale de la couche monocristalline 12, une couche redresseuse 14 formée par une pellicule métallique est pr-fcduite sur la partie supérieure de la couche 12. 20 On peut utiliser tout métal présentant le niveau de barrière nécessaire par rapport à la matière semiconductrice choisie pour le substrat 10. Parmi les matières préférées qui peuvent être employées, on peut citer le titane, le tungstène, le molybdène et le tantale. Après polissage de la couche monocristalline 12, la pelli-25 cule métallique peut être déposée en utilisant un appareillage d'-évaporation classique. Selon des procédés classiques d'évaporation, la surface semiconductrice est portée à une température comprise entre environ 250 et environ 350°C ou bien à une valeur aussi élevée que possible à condition qu'elle n'engendre aucun effet pertur-30 bateur. Ensuite des atomes métalliques sont dirigés sur la surface de la matière semiconductrice chauffée en opérant sous vide pendant une période suffisante pour produire une couche de métal ayant l'épaisseur désirée. De préférence, les atomes de métal sont obtenus par évaporation, mais on peut également employer des techniques de 35 pulvérisation ou autre. On doit opérer avec un très grand soin lors de la formation de la pellicule métallique 14 en vue de réduire au minimum le taux de diffusion du métal dans la couche monocristalline 12, ce qui altère la qualité du contact redresseur à barrière de Schottky en cours de formation. Puisque le dépôt de la barrière 40 de Schottky ne fait par intervenir des températures élevées, toute 70 22778 4. 2046969 diffusion se produisant entre le substrat N+ et la couche 12 de type N~ est réduite au minimum. Cela conserve le gradient élevé éta- —» *+* / / bli à l'interface H - N , qui réduit la résistance parasite et a- méliore le rendement de fonctionnement et le bruit. 5 Puis une mince couche métallique de liaison 16 est formée sur la partie supérieure de la couche redresseuse 14 en vue d'améliorer l'adhérence d'un métal dissipateur de chaleur sur cette couche 14. La couche de liaison 16 peut également être formée en déposant par évaporation un métal dans un four à Vide ou bien en utilisant une 10 des techniques de revêtement disponibles. L'épaisseur de la couche de liaison 16 peut n'être que de l'ordre de quelques microns. En fonction du métal utilisé dans la couche redresseuse 14, la couche de liaison 16 peut ne pas être nécessaire. Par exemple, lorsqu'on utilise de l'or pour former le contact redresseur à barrière de 15 Schottky, la couche 16 n'est pas nécessaire. Comme métaux typiques pouvant être utilisés dans la couche de liaison 16, on peut citer l'or et l'argent. La phase suivante du processus de fabrication de diodes semi-conductrices suivant l'invention consiste à revêtir d'un métal 18 20 dissipateur de chaleur la surface supérieure de la couche de liaison 16. On peut utiliser un dépôt par voie électrique ou non électrique pour former le dissipateur de chaleur 18. Fondamentalement, le dépôt par voie électrique est un procédé permettant de revêtir des objets de couches métalliques étroitement adhérentes, à l'aide 25 d'électrodes reliées à une source d'énergie et placées dans une solution aqueuse, par exemple du sulfate de cuivre. Dans un procédé de dépôt par voie électrique, de nombreux paramètres peuvent être contrôlés étroitement et l'on peut déposer des pellicules minces avec une très bonne adhérence sur une épaisseur quelconque dé-30 sirée. Lors du dépôt par voie non électrique de pellicules métalliques minces, un ion métallique en solution est réduit à l'état de métal libre et est déposé sous forme d'un revêtement métallique sans faire intervenir de courant électrique. Lorsque le procédé de dépôt par voie non électrique est correctement exécuté, on peut ob-35 tenir une mince pellicule non poreuse d'une épaisseur et d'une densité uniformes. En utilisant des techniques de dépôt par voie électrique ou non électrique, on peut former le dissipateur de chaleur 18 à une température inférieure à celle à laquelle se produit une diffusion du métal redresseur 14 dans la couche 12. Un autre avan 70 22778 5. 2046969 tage d'une technique de dépôt à basse température est qu'il ne se produit aucune diffusion entre le substrat 10 et la couche épitaxiale 12. Ceci permet de maintenir le gradient élevé à l'interface N~ - N+ entre le substrat 10 et la couche 12 et, par conséquent, 5 comme, expliqué plus haut, de réduire la résistance parasite. Après revêtement, la couche 18 est rodée à l'épaisseur désirée. L'épaisseur de la couche 18 varie avec les dimensions de la zone formant diode. Typiquement, la couche 18 a une épaisseur comprise entre 0,5 et 2 mm. Après rodage de la couche 18 à l'épaisseur 10 désirée, le substrat 10 est rodé lui-même à une épaisseur désirée, par exemple de l'ordre de 50 microns. Ensuite, les contacts métalliques 24 et 26 sont formés. Après que le substrat 10 a été rodé, une mince pellicule métallique est déposée par évaporation sur la surface du substrat. La mince pel-15 licule métallique est ensuite revêtue d'une matière de réserve photographique. Après exposition et fixation par des techniques classiques, la matière de réserve photographique est enlevée pour exposer la•pellicule métallique déposée par évaporation, sauf dans des zones délimitant les contacts 24 et 26. En utilisant des techniques 20 de décapage classiques, toute la pellicule métallique est enlevée de façon à délimiter les zones des contacts 24 et 26. Après avoir formé les zones de contact, le reste de la matière de réserve photographique est enlevé et une seconde pellicule de matière de réserve photographique est déposée sur le substrat et sur les con-25 tacts métalliques. Cette matière est à nouveau exposée, fixée et sélectivement enlevée de façon à délimiter un motif correspondant aux diodes 20 et 22. Le substrat 10 est ainsi exposé sauf dans la zone des diodes. Ensuite, en utilisant une autre phase de décapage, les couches semiconductrices 10 et 12 sont enlevées de façon à 30 former les diodes 20 et 22. A ce stade, les couches métalliques 14 et 16 peuvent être enlevées jusqu'à la couche dissipatrice de chaleur 18. Finalement, le dissipateur de chaleur est divisé par sciage en pastilles de dimensions appropriées (de l'ordre de 0,7 à 2,5 mm). Ces grandes pastilles sont fixées par des techniques classi*-35 ques sur un support approprié. En déposant la matière formant le dissipateur de chaleur sur la couche redresseuse 14 ou sur la couche de liaison 16, on obtient une bonne interface. Cette interface améliore sensiblement le capacité de transmission de chaleur de la jonction redresseusé au dis-40 sipateur de chaleur. Un autre avantage qui résulte du dépôt du 70 22778 6. 2046969 dissipateur de chaleur sur une jonction redresseuse est que l'on maintient le gradient extrêmement élevé en impureté d'une barrière de Schottky entre la couche redresseuse 14 et la couche 12. Ce gradient élevé entre la concentration en impureté de la couche redres-5 seuse 14 et la concentration en impureté de la couche 12 réduit également la résistance parasite du dispositif. Comme expliqué précédemment, une faible valeur de la résistance parasite améliore le fonctionnement d'une diode à avalanche à barrière de Schottky comme oscillateur hyper-fréquence. 10 Sur la Fig. 6, on a indiqué les dimensions relatives d'une diode métal-semiconducteur particulière, y compris l'épaisseur du dissipateur de chaleur 18, pour une diode 20 de capacité déterminée Si l'on désigne le diamètre de la diode par D, l'épaisseur du dissipateur de chaleur 18 doit être égale à environ cinq fois D, c*-15 est-à-dire que l'épaisseur b du dissipateur est approximativement égale à 5 D. Pour obtenir une surface appropriée du dissipateur de chaleur, le diamètre a de ce dissipateur de chaleur 18 doit être approximativement égal à dix fois D. En particulier, le dissipateur de chaleur 18 peut être du cuivre et avoir un diamètre de 20 0,12 mm. La dimension D de la diode 20 est déterminée par les densités de puissance qui, pibur des diodes hyper fréquences, sont de 5,2 l'ordre de 10 watts/cm . 70 22778 7 2046969 REVENDICATIONS 1 - Diode métal-semiconducteur, caractérisée en ce qu'elle comprend un substrat semiconducteur (10) présentant une concentration élevée en impureté, une couche (12) de matière semiconductrice présentant une faible concentration en impureté et formée par croissance épitaxiale sur le substrat 5 semiconducteur, une pellicule métallique (14) formée sur la couche épitaxiale et présentant le niveau de barrière nécessaire par rapport au substrat semiconducteur choisi, en vue d'établir avec celui-ci un contact redresseur, et un dissipateur de chaleur (18) déposé sur la pellicule métallique sur une épaisseur suffisante pour évacuer la chaleur du contact redresseur de la pellicule •|0 métallique. ; 2 - Diode métal-semiconducteur suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat semiconducteur (10) est du silicium de type N~*~. 3 - Diode métal-semiconducteur suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la couche épitaxiale (12) est formée de silicium de type N~. •J5 4 - Diode métal-semiconducteur suivant la revendication 1, caracté risée en ce que la pellicule.métallique (14) est formée d'une matière choisie dans le groupe comprenant le titane, le tungstène, le molybdène et le tantale. 5 - Diode métal-semiconducteur suivant la revendication 4, caractérisée en ce que le dissipateur de chaleur (18) est formé de cuivre. 20 6 - Procédé de fabrication d'une diode métal-semiconducteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche (12) de matériau semiconducteur est formée par croissance épitaxiale sur le substrat semiconducteur (10), la pellicule de métal (14) à contact redresseur est formée sur la couche (12) obtenue pàr croissance épitaxiale et un revête-25 ment dissipateur de chaleur (18) est déposé sur la pellicule métallique (14) à contact redresseur. 7 - Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la pellicule métallique (14) à contact redresseur est formée par dépôt ou-vapo-risation de titane, tungstène, molybdène ou tantale. 2o 8 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'une interface (16) est formée entre la pellicule métallique (14) à contact redresseur et le dissipateur de chaleur (18), améliorant l'adhérence du matériau de revêtement sur la pellicule métallique.' 9 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, ca 70 22778 8 2046969 ractérisé en ce que des zones du substrat semiconducteur (10), de la couche épitaxiale (12) et de la pellicule métallique (14) à contact redresseur sont enlevées du dissipateur de chaleur (18) de façon à former des diodes métal-semiconducteur (20,22) séparées, et le dissipateur de chaleur (18) est scié 5 en éléments séparés contenant chacun une diode métal-semiconducteur (20, 22). 10 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le dissipateur de chaleur (18) est du cuivre. 11 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 6 à 10, 10 caractérisé en ce que le dissipateur de chaleur (18).est déposé sur une épaisseur à peu près égale à cinq fois le diamètre d'une diode métal-semiconducteur (20, 22). 12 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications é à 11, caractérisé en ce que le dissipateur de chaleur (18) est scié en éléments 15 ayant une dimension égale à environ dix fois le diamètre d'une diode.