Brevet FR2016816A1 — publié le 19700515

L'invention concerne des perfectionnements aux:dispositifs à semi-conducteurs. Plus particulièrement elle est relative à un contact perfectionné sans effet redresseur pour un corps semiconducteur. De plus, l'invention concerne un contact composite perj-5 fectionné et un procédé pour le fabriquer. Ainsi qu'il est bien connu des spécialistes de cette technique, quand on monte ou fixe une pastille ou une plaquette semi-conductrice sur un support, il est souvent nécessaire d'utiliser un certain type de couciie métallique comice matière de liaison ana-10 logue à une brasure. La couche métallique est en général apportée sous forme d'une ébauche mince, c'est-à-dire d'une feuille ou bande séparée dont les dimensions et la forme correspondent habituellement d'une façon approximative à celles de la pastille à monter et on la place entre la face d'assemblage, ou face infé-15 rieure, de ladite pastille et le support lui-même. La couche métallique peut aussi être fixée, soit à la face d'envers de la pastille, soit au support même. Le type de métal le plus coi,.nunément utilisé pour cette couche a été une simple couche, soit d'un métal précieux tel que l'or, soit d'un alliage de tels métaux. Les 20 métaux précieux et leurs alliages conviennent pour cette application parce qu'ils ne s'oxydent pas facilement et qu'ils forment des alliages eutectiques avec un semi-conducteur à des températures relativement basses, c'est-à-dire dans l'intervalle de 300 à 650°C. 25 L'utilisation d'une telle ébauche présente toutefois un cer tain nombre d'inconvénients : elle peut glisser et cause?' des irrégularités ou une mauvaise mise en place de l'alliage de îâaisai; an £ sarjaat au montage des vides qui abaissent la conductibilité thermique ; l'utilisation d'une ébauche métallique exige habituelle-30 ment une température de montage plus élevée (c'est-à-dire supérieure d'environ 50°C à la normale) et il est fréquent que la surface de la pastille se trouve oxydée avant le montage du fait que la surface du semi-conducteur n'est pas protégée contre la formation d'une nouvelle couche d'oxyde. 35 Pour éliminer ces problèmes, on a insisté davantage ces der niers temps sur la nécessité d'appliquer la couche métallique directement sur la face d'assemblage de la pastille avant de la fixer ou de la souder sur soi support. Ceci permet une mise en place exacte de la couche métallique, ce qui élimine les irrégularité 40 et les erreurs de position de l'alliage de liaison, réduit les ■*!- BAD ORIGINAL^ 69 25180 2 2016816 des et protège la surface de la pastille contre l'oxydation en la recouvrant d'une couche de métal inoxydable, tel que l'or. La température de montage peut aussi être abaissée parce qu'il y a un meilleur contact à la surface séparatrice de la pas-5 tille et de la couche métallique. Tous ces avantages se combinent pour fournir un meilleur contact s~;ns effet reuresseur entre la pastille et la couche de métal qui lui est appliquée. Cependant, quand on utilise de cette manière une simple couche d*or ou d'un alliage de métaux précieux, il surgit de nouveauxproblèmes, particulière-10 ment au sujet des surfaces décapées du semi-conducteur. Ainsi, par exemple, pour obtenir une bonne adhérence sur la surface d'un semi-conducteur en utilisant une couche convenable d'or ou d'un alliage de métaux précieux, il est essentiel que la surface libre du semi-conducteur soit relativement exempte d'oxyde, ce qu'il est 15 souvent difficile d'obtenir. 35e plus, quand on utilise le silicium on trouve souvent des vides dans la surface du silicium après l'application de la simple couche. Ces lacunes ont tendance à s'oxyder pendant le stockage de la pastille, ce qui pose des problèr-mes de montage ainsi qu'un certain nombre des problèmes précédem-■20 ment décrits au sujet de ,1'utilisation, d'ébauches ou bandes d'or. En conséquence, c'est un but de l'invention de réaliser pour une pastille semi-conductrice un contact composite sans effet redresseur qui protège la face d'assemblage de cette pastille contre l'oxydation pendant le stockage. 25 Un autre but de l'invention est de réaliser pour une pastille semi-conductrice un contact composite sans effet redresseur et ayant de bonnes propriétés de conduction ae la chaleur pour renforcer ainsi la dissipation de chaleur et améliorer les propriétés de stabilité uynamique du dispositif à semi-coneucteur. 30 Un autre but de l'invention est encore de réaliser un contact composite sans ef/et redresseur pour une pastille semi-conductrice ayant une surface décapée, rodée ou polie. Un autre but de l'invention est de réaliser pour une pastille semi-conductrice un contact composite sans effet redresseur susci>-35 tible d'être utilisé pour souder ladite pastille à un support adéquat sans utiliser une ébauche. Un autre but de l'invention est de réaliser pour une pastille semi-conductrice un contact composite qui peut être utilisé pour souder une electrode à ladite pastille. 40 Un autre but de l'invention est encore de réaliser pour une fiAD ORIGINAL ' 69 25180 3 2016816 pastille semi-conductrice un contact composite sans effet redresseur qui peut être utilisé pour réduire le temps et la température nécessaires pour monter ladite pastille semi-conductrice sur un support. 5 Un autre objet de l'invention est enfin de réaliser pour une pastijle semi-conductrice un contact composite qui comprend un mSarge obtenu par diffusion d'au moins quatre couches feuilletées comportant au moins trois éléments différents, métaux ou métalloïdes, à savoir : un premier élément tel que l'antimoine qui assure 10 un bon mouillage et une bonne soudure à la plaquette sans avoir d'effets préjudiciables sur le type d'impureté ou de conduction, un deuxième élément tel que le phosphore pour réaliser un dopage uniforme du type ïï dans toute la masse dudit contact composite sans entraîner d'effets préjudiciables au taux d'impureté ou au 15 "type de conduction de la pastille, et enfin, un métal précieux pour assurer audit contact composite les qualités nécessaires pour assurer le soudage ou le brasage de la pastille sur un support ou à une électrode. En bref, le contact composite est formé initialement à partir 20 d'un feuilletage constitué d'au moins quatre couches comprenant au moins trois éléments différents, métaux ou métalloïdes, le nombre de couches formées dépend du choix du procédé utilisé pour fabriquer le contact composite et de l'épaisseur de métal précieux nécessaire pour satisfaire aux exigences du soudage ou brasage de la 25 pastille sur un support ou à une électrode. Ensuite, après mise en place des couches, on chauffe l'ensemble à la température voulue et l'on forme par diffusion réciproque des éléments un mélange qui assure un contact.adhérent sans effet redresseur. Une première couche d'un élément tel que 1'antimoine doit 30 être utilisée à titre de couche initiale en contact purement ohmi-que (sans différence de potentiel de contact) avec la surface du semi-conducteur afin de favoriser un bon mouillage et une bonne liaison entre la surface à recouvrir et les autres couches du con~ tact composite sans affecter d'une façon néfaste la concentration 35 en impureté ou le type de conduction de la surface. On utilise, entre la première et la troisième couches, une seconde couche de métal précieux pour empêcher les éléments respectifs des première et troisième couches de se mélanger avant le cycle de chauffage. Une troisième couche d'un "-"-élément tel que le phosphore, qui n'est 40 jamais ni la première ni la dernière couche de feuilletage, est BAD ORIGINAL 69 25180 .2016816 utilisée pour apporter un dopage uniforme N dans'tcuts l'étendue du contact composite sans affecter de façon nuisible la concentration en impureté ou le type de conduction de la surface. On utilise toujours une quatrième couche d'un métal précieux tel que l'or 5 pour la dernière couche du feuilletage afin de permettre au contact composite de satisfaire aux conditions nécessaires pour sou4 der la pastille à un support ou à une électrode. On comprendra mieux l'invention à partjr" cle 1& description détaillée ci-après, en ae référant au dessin annexé dans lequel: 10 la figure 1 représente un semi-conducteur muni d'un contact conforme à l'invention ; et la figure 2 représente on dispositif pour la réalisation dudit contact. En se reportant à la Fig. 1, on y voit un exemple de réali-15 sation d'un dispositif à semi-condusteur 1 muni d'un contact con? forme à l'invention. Le dispositif à semi-conducteur de la fig.1 est un transistor "Planar" type KPN comprenant un collecteur 6 à conduction du une base 5 à. conduction du type P et un ' émetteur 4 à conduction du type N. la face extérieure du colleo- * 20 teur 6 est désignée par 'le r#père 10 et elle peut; avoir un* surface décapée, rodée ou polie, suivant les exigences du dispositif. Les deux jonctions internes, c'est-à-dire la jonc.tion émetteur-' base 11 et la jonction collecteur-base 12, sont recouvertes d'un revêtement protectèor 3 qui psut.itre, par exemple, de la silice. 25 Au centre de l'émetteur 4, disposée son électrode 2 q.ui peut' être faite en un métal tel que l'aluminium ou un contact composi-» te tel que celui décrit par l'invention. Bien q_ue cet exemple montre le collecteur 6 fait de silicium à conduction type R, on peut aussi utiliser d'autres types de semL-30 conducteurs. Cependant, si l'on devait utiliser un semi-conducteur à conduction du type P pour la région contiguê au contact composite, son niveau de dopage du type P devrait être assez élevé pour empêcher la conversion de la conduction du type P en une conduction du type H. Autrement, les impuretés dopantes du type îf dans 35 le contact composite pourraient ultérieurement former une jonction redresseuse dans la région à conduction du type P et annihiler les caractéristiques électriques du dispositif. Tous les procédés nécessaires pour former les parties décrites ci-dessus du transistor 1, de type NPN, à l'exclusion du contact composite, sont bien eon*-40 nues des gens versés en la matière et ne font pas partie de l'in- BAD ORIGINAL . - 5 69 2518q 2016816 vention . . La surface de raccordement 10 est garnie, dans un exemple préférentiel, d'un contact composite construit conformément à la présente invention et servant d'électrode de collecteur. Comme le 5 représente la fig 1, la première couche 7A du contact composite feuilleté 20 est de l'antimoine, la seconde couche 7B est de l'or la troisième 8A du. phosphore, la quatrième 8B de l'or, et la cinquième couche 9, si elle est nécessaire, est de l'or. On va : maintenant décrire un exemple détaillé d'un procédé 10 adéquat pour constituer un tel contact feuilleté conforme à l'invention tel que celui représenté par là figure 1. Avant d'appli~ quer le contadt sur la face.de raccordement extérieur 10, il est impératif que celle-ci soit nettoyée et que sa surface soit relativement exempte de tout oxyde. Ceci est important pour assurer 15 une bonne adhérence du contact composite sur le silicium. La première opération du nettoyage de la face de raccordement 10 consiste à dégraisser la pastille 30 dans des solvants adéquats tels que des solutions de trichloréthylène et d'alcool méthylique. Elle est suivie d'un rinçage à l'eau désionisée et d'un séchag&M 20 atmosphère d'azote. La silice, indésirable sur la face de raccor*-dement 10, est éliminée par une attaque convenable à l'acide fl-u-orhyârique. Aussitôt après, on dépose les diverses couches stratifiées du contact composite sur la face de raccordement 10 qui est propre. On peut utiliser tout procédé convenable pour cette appli-25 cation et la Fig 2 représenté un exemple dé' dispositif .à cet ef^-fet. La pastille 30 est placée sur le support 44 avec sa face de raccordement 10 tournée -vers le haut dans un appareil à dépôt par vaporisation 40. Une charge de fil d'or-antimoine de 1 mm de dia-30 mètre et de 50 mm de long est placée dans un filament de tungstène 41. Une charge de fil d"or-phosphore de 2,5mm de diamètre et de 22 mm de long est placée dans le filament de tungstène 42. Enfin un fil d'or de 1mm de diamètre et de 380 mm de long est placé dans le filament de tungstène 43- Les trois filaments sont à une hau-35 teur de 178mm au dessus du. support 44. Après établissement d'un _7 vide de 1.10 mm de mercure au moyen de la pompe à vide 50, on envoie le courant successivement dans chacun des filaments, dans l'ordre suivant : 41, 42, et 43, jusqu'à ce que les trois charges soient déposées. 40 Quand on fait passer le courant dans le filament 41, la chai*. bad original" 6 69 25180 2016816 ge d'or et l'antimoine commence à se vaporiser et ce sont les atomes d'antimoine qui se déposent les premiers sur la face de raccordement 10 pour y former la couche 7A. Ceci est dû au fait que l'antimoine a une tension de vapeur plus élevée et un point d'é-5 bullition plus "bas que l'or. On pense que ces atomes d'antimoine se trouvent alors oxydés par l'oxygène'résiduel présent tant dans l'atmosphère raréfié du vide qu'à la surface de la face de raccordement 10. On suppose de plus que les molécules d'oxyde d'antimoine ne ainsi formées agissent comme un adhésif et fixent les atomes 10 d'or qni se déposent ensuite sur la surface du silicium pour y.. * former la couche 7B. L'épaisseur combinée des couches 7A et 7B o est approximativement de 1 000 A» La couche d'antimoine favorise une "bonne adhérence de l'or sur le silicum et apporte également une contribution au niveau 15 de dopage lf+désiré du contact composite. Quand on utilise un alliage d'or et d'antimoine, il doit contenir environ 6i° en poids d'antimoine. Il faut maintenir la concentration de l'antimoine dans le contact composite aussi basse que possible (c'est-à-dire juste suffisante pour favoriser une bonne soudure et un bon mouil-20 lage) parce que,l'antimoine a tendance à réduire la solubilité de silicium, dans l'or, à former des poches de ségrégation à l'intérieur de la couche et à constituer avec l'or une combinaison fragile. Après dépôt complet de la charge d'or et d'antimoine, on va-25 porise la change d'or et de phosphore dans le filament 42. Comme le phosphore a une plus forte tension de vapeur et un plus bas point d'ébullition que l'or, ce sont les atomes de phosphore qui vont $tre les premiers à se déposer sur la couche 7B pour former la troisième couche 8A. Ensuite, la quatrième couche 8B, en or,se 30 dépose également et recouvre la couche 8A. L'épaisseur combinée o des couches 8A et 8B est d'environ 2 600 A. Quand on utilise un alliage d'or et de phosphore, il doit contenir environ 2$ en poids de phosphore. L'alliage d'or et de phosphore ne--peut jes être utilisé comme un contact à simple couche parce qu'il mouille difficilement 35 le silicium. Le phosphore fournit une distribution uniforme de dopant N+ dans tout le contact et diminue tous les effets de ségrégation provoqués par l'antimoine. Ceci est important parce que, s'il y a ségrégation des impuretés constituant le dopant de type N, la stabilité dynamique de l'appareil se trouve diminuée. 40 S'il y a besoin d'une couche d'or supplémentaire 9 pour ré BAD ORIGINAL 69 25;80 2016816 pondre aux exigences a!épaisseur du soudage ou brasage de la pastille 30 1 un support ou à une électrode, on place la charge nécessaire dans le filament 43 et l'y vaporise. Sur cet exemplej O l'épaisseur de la couche 9 est approximativement de 8 OOOA. Pour 5 des dispositifs à se-J.-conducteurs de types destinés aux télécommunications, l'épaisseur de la couche 9 est généralement comprise o entre 5 000 et 50 000 A. Alors que c'est l'or qui est-utilisé dans 1 ' exemple préférentiel de la î*ig 1, n * importe quel autre métal précieux comme l'argent, le platine, l'or et leurs alliages peut être 10 utilisé pour les couches 7B, 833 et 9. Après avoir déposé comme le montre la Fig 1 les couches successives de feuilletage du coatact coaçoBitB» on soumet ,;.3& pastEH® h- un cycle de «fcmffage en deux étapes. La première étape est un prêt-" chauffage pendant cinq minutes à une température comprise entre 15 250 et 350°C sous atmosphère d'azote avapt de passer à la seconde, afin d'assurer une distribution uniforme e la chaleur dans toute la pastille. Cette première étape est immédiatement suivie de la seconde au cours de laquelle la pastille est chauffée sous atmosphère d'azote à une température comprise entre 300 et 65o °C pen-20 dant cinq à trente minutes, suivant les besoins de l'appareil.Les températures et temps choisis servent à régler la quantité d'or libre (c1 est-à-dire ^rjfltaÈMrfcpas entré dans un eut;ectique or-silicium) qui reste à la surface du contact composite après achèvement du traitement thermique. En général, plus la tempéra-25 ture est élevée et le temps prolongé, moins il reste d'or, libre. On pense que c'est la quantité d'or libre qui détermine la quali-p té de la soudure ou brasure qu'on obtiendra entre la pastille et un support ou une électrode. Une fois le traitement thermique ec&B-vé, le contact composite prend une structure hachurée avec des 30 lignes inc3 i^ées à 30°, 60° et 90° les unes par rapport aux auires"-On supposa qu'alors le contact composite n'est plus à l'état de feuilletage à couches multiples, mais est constitué par un mélange résultant de la diffusion réciproque d'au moins trois éléments métaux et métalloïdes. 35 Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation, ue ses diverses parties, ayant été plus spécialementenvisagés | elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 40 ' BAD ORIGINAL b-) 25180 0 20168 .o REVENDICATIONS 1. Contact métallique perfectionné, sans effet redresseur, pour un élément semi-conducteur, à structure composite constituée de plusieurs couches ayant diffusé les unes dans les autres, carae-5 tirisé par le fait que lesdites couches comprennent : une première couche d'un élément sans effet redresseur adhérent à la surface dudit semi-conducteur, une deuxième couche métallique recouvr nt ladite première couche pour empêcher le mélange de celle-ci avec d'autres couches à des températures inférieures à la tempère~ure 10 d'eutexie entre ladite première couche et ledit élâ&ent seiai-conducteur, une troisième couche d'un élément d 'terminai- t 11116 ccnduc-ti du uype I? en contig-.ïtl t vec laô.11 ; - . . r*i . 2.. C-: t. iz cv selon la r c t-i-.r ai-: " 'v y*- - '■—" o ue ladite surface dudit seidl-e unduc teur est gtu i-ilici ui- h ^r.u action du type N. ladite première couche étant- ùf? ~ 'î-ntia;v:r- , lu deuxième de^l'or, la troisième du phosphore et la quatrième de 20 l'or. 3. Contact selon la Revendication 2, caractérisé par le fait que lesdites première et deuxième couches ont une épaisseur voisin 0 -4 ne de 1 OOOA et contiennent environ 6f> en poids d'antimoine, lesdites troisième et quatrième couches ayant une épaisseur d'environ 0 25 2 600 A et contenant environ 2?& en poids de phosphore. 4. Contact selon la Revendication 3, caractérisé par le fait lu'une cinquième couche d'or d'épaisseur comprise entre 5 000 et o „ _ 0C0 A es*; contiguë à ladite quatrième couche. 5. Contact selon la Revendication. 1, carctérisé par le fait 30 que ladite première couche est de l'antimoine et ladite troisièmes pnosphore, ladite surface dudit semi-conducteur étant du silicium à conduction de type P ayant un: niveau de dopage de type P suffisamment élevé pour empêcher la conversion de sa conduction de type P en une conduction de type N par les dopants de type N que 35 constituent l'antimoine et le phosphore présents dans ledit con-r:;.-' tact composite. 6. Contact selon la Revendication 5, caractérisé par le fait qu'une cinquième couche d'or d'épaisseur comprise entre 5 000 et 0 ' " $0 000 A contiguë à ladite quatrième couche. 40 bad original