Brevet FR2038154A1 — publié le 19710108

La présente invention concerne un élément semiconducteur constituant un condensateur variable dont la capacité dépend de la tension appliquée et elle a trait à un procédé permettant de fabriquer cet élément semiconducteur. Quand on applique une tension inverse à une jonction PN formée dans une sous-couche EemicOnductrice il se forme dans cette sous-couche une couche dont la teneur en porteur est appauvrie et qui s'étend B partir de la jonction. Comme il est bien connu, on fait fonctionner un tel élément b capacité variable en utilisant cette couche appauvrie comme diélectrique. Dans ce cas, étant donné que ltépaisseur de cette couche varie en fonction de la tension appliquée, on peut faire varier la capacité en modifiant la valeur de la tension. Deux procédés sont habituellement connus pour obtenir un excellent condensateur de ce genre (appelé aussi varactor dans la technique).Le premier de ces procédés consiste à régler la répartition de la conôentration en impureté dans les deux régions semiconductrices adjacentes qui forment une jonction PN. Un exemple caractéristique est ce que l'on appelle une jonction "hyperabrupte". L'autre de ces deux procédés consiste b concevoir la structure géométrique de la jonction PN de façon telle que la surface de la jonction PN diminue avec ltépaisseur de la couche appauvrie. Toutefois, ces procédés présentent des inconvénients pour les raisons suivantes. I1 est difficile pratiquement dans ces techniques de fabrication de régler avec précision la répartition de la concentration en impureté et de réduire la variation de la capacité. Le premier procédé ci-dessus ne convient pas pour une production en grande série. Bien que le second procédé soit simple en principe, il présente une difficulté technique lors de la fabrication d'un condensateur présentant une variation de capacité impur tante pour une faible variation de tension et il ne convient pas non plus pour une production en grande série. La présente invention a pour objet un élément doué de capacité dont la capacité dépend dans une large mesure de la variation de la tension. Selon une caractéristique de la présente invention, la demanderesse a créé un procédé simple permettant de fabriquer cet éliment doué de capacité Les caractéristiques et avantages de l'invention mentionnés ou non ci-dessus apparattront à la lecture de la description faite ci-après en référence au dessin annexé sur lequel s la iig. 1 est une coupe d'un condensateur conforme à la présente invention; les fig. 2a k 2e sont des coupes montrant les phases rea- pectives du procédé de fabrication du condensateur représenté sur la fig. 1y les fig. 3a k 3c sont des vues en plan montrant des formes différentes de la partie creuse;; les fig. 4 k 6 sont des vues en perspective montrant d'autres modes de réalisation conformes k la présente invention; 'les fig. 7 à 9 sont des graphiques montrant les caractéristiques de capacité en fonction de la tension des éléinents des modes de réalisation ci-dessus; sur ces graphiques, la capacité exprimée en pFd est portée en ordonnée et la tension appliquée exprimée en volts est portée en abscisse; la fig. 10 est un graphique montrant la variation de la capacité quand les dimensions géométriques de la partie creuse varient; sur cette figure la capacité exprimée en pFd est portée en ordonnée et la longueur exprimée en micron est portée en abscisse; les fig. 11a à 11b sont des coupes d'un autre mode de réalisation conforme k la présente invention; les fig. l2a,kl2d sont des coupes d'autres modes de réa~ lisation conformes k la présente invention La fig. 1 montre une structure en coupe d'un élément k capacité variable conforme k la présente invention; sur cette-ii- gure la référence I désigne une région seaiconductrice de type P, la référence 2 désigne une région semiconductrice de type N, la référence 3 désigne une pellicule isolante d'oxyde de silicium ou de nitrure de silicium. recouvrant la surface du semiconducteur, et les références 4 et 5 se rapportent B des électrodes qui se trouvent en contact ohmique avec la réion I de type P et la région 2 de type N, respectivement; un exemple de fabrication d'un tel élément est représenté sur les fig. 2a k 2e. Comme on peut le voir sur la fig. 2a, on prépare une souscouche de support monocristalline 1 k faible résistivité et en silicium de type P (sous-couche que l'on appellera par la suite la région de type P+). On découpe la sous-couche 1 de façon que la surface exposée soit inclinée de quelqu. degrés ( ) par rapport k un plan (111) du cristal0 On forme sur la surface de la souscouche 1 une région 2 de type N0 On obtient la région 2 de type N par croissan e épitaxiale de silicium de type N sur la surface de la sous-couche 1. Dans la présente invention, on peut utiliser non seulement-du silicium mais encore du germanium et du gazas ayant la même structure cristalline que celle du silicium.Sur la surface-de la région 2, on forme, au moyen du procédé bien connu dans la technique,-une pellicule de passivation de nitrure de silicium (Si3 ) ou d'oxyde de silicium (Si02) Après avoir enlevé une partie de la pellicule de passivation 3, on expose la sous-couche 1 k une atmosphère ou circule un gaz corrosif contenant du gaz chlorhydrique (HC1) pendant une période comprise entre 5 et 20 minutes pendant qu'on le chauffe à environ 1100 C, grace à quoi~la partie exposée de la surface de la sous-couche 1 est attaquée par le gaz chlohydrique et il se forme une partie creuse ou évidée 6 dont le-fond est une surface inclinée 7, comme représenté sur la fig. 2b.Cette surface est inclinée d'un angle B par rapport à la surface de la sous-couche. La surface inclinée 7 est notamment parallèle au plan (111) étant donné, qu'habituellement, dans les cristaux de silicium et de germanium, on expose les plan (111) k un traitement d'attaque à l'acide. Le gaz servant à l'attaque en phase vapeur peut-evire un gaz halogéné autre que HCl, -par exemple HBr et HI. On peut obtenir la formation de la surface inclinée dans la partie creuse soit en réglant le rapport molaire d'un gaz halogéné tel que SiC14, que l'on peut aussi utiliser pour une crois-sance en phase vapeur, par rapport à-l'hydrogène qui est utilisé comme gaz porteur ou véhicule du gaz halogéné,- soit en utilisant une solution chimique corrosive ou d'attaquiconnue de façon classique. La surface inclinée n'est pas limitée à la surface cristalline (111).On peut utiliser dans la sous-couche semiconductrice de départ d'autres surfaces, par exemple une surface cristalline (211) 3, qui apparatt facilement lors d'une attaque W l'acide de la partie creuse. On expose la sous-couche 1 k une atmosphère contenant un accepteur pendant qu'on la chauffe de manière que l'accepteur diffuse dans la surface de la partie creuse exposée 6, grace à quoi il se forme une mince région 8 de type P comme représenté sur la fig. 2c. Le traitement par diffusion est effectué de manière que la région 8 de type P que l'on utilise comme sous-couche de départ, puisse autre raccordée k la région 8 de type P .Etant donné que ce traitement est exécuté dans une atmosphère oxydante, la partie de surface exposée de la sous-couche s'oxyde et se recouvre k nouveau de la pellicule d'oxyde de silicium 9o On peut former la jonction PN dans la partie creuse 6 en ayant recours k une croissance épitaxiale d'une couche de type P+ au lieu d'utiliser le procédé de diffusion sélective ci-dessus0 Habituellement, la variation de la concentration en impureté au voisinage de la jonction FN formée par le procédé de croissance épitaxiale est plus brusque que si l'on utilise le procédé de diffusion, La capacité de la jonction PN formée au moyen du procédé de croissance épitaxiale varie en proportion de fol/2 tandis que celle obtenue au moyen du procédé de diffusion varie en proportion de V 1/3 ou V est la tension appliquée0 Par conséquent, si l'on utilise la jonction PN formée au moyen du procédé de croissance épitaxiale dans l'élément et k une telle structure semiconductrice que celle décrite ci-dessus, le taux de variation de la capacité se trouve encore accru. On enlise une partie de la pellicule de passivation 3 se trouvant sur la surface de la région 2 de type N et on diffuse une impureté du type donneur, par exemple du phosphore, dans la partie exposée de la région 2 de manière à former ainsi une région 10 de type N+ fortement dopée, comme représenté sur la fig. 2d0 La for mation de cette région 10 de type N+ å pour but de diminuer la résistance de contact entre l'électrode et la région 2 de type N. On recouvre à nouveau la surface de la région 10 du type N+ avec une pellicule d'oxyde de silicium. On enlève k nouveau des parties désignées des pellicules de pasaivation 3 et 9 et on dépose une matière pour électrode, par exemple de l'aluminium, de manière à former des électrodes 4 et 5 en contact ohmique respectivement avec les régions de type P et de type No On obtient ainsi la structure représentée sur la fig. 1. L'Qlectrode 4 peut astre reliée à la région 1 au lieu de la région 8. Les fig. 3a X 3c montrent des cas où la sous-couche semiconductrice a la msme structure en coupe que sur la figo 1 mais présente une forme différente vue en plan, La surface inclinée est plus profonde vers la gauche dans chaque figure. De cette fa çon, mdme avec la mdme forme en coupe, on peut faire varier les caractéristiques de capacité en fonction de la tension (caract6- ristiques C-V) en modifiant la forme de la structure vue en plan. Les figo 4 à 6 montrent des modes de réalisation où la forme de la section creuse 6 a été modifiée, chaque caractéristique C-Y étant représentée sur les fig. 7 à 99 respectivement. On va maintenant donner une explication détaillée des modes de réalisation en se référant aux figures 4 à 6 où les mimes références sont utilisées pour désigner les mêmes parties que celles représentées sur la fig. 1. La fig. 4 se rapporte k un cas où la forme de la partie creuse 6 est rectangulaire. Après avoir formé la couche 2 de type N sur la surface de la sous-couche 1 de type P+ (de la même façon que pour les iig. 2a à 2e), on attaque à l'acide la surface de manière à former un creux ou évidement 6 dont le fond est une surface inclinéee On diffuse une impureté de type P k partir de cette partie attaquée. En ce qui concerne les dimensions de la-partie creuse 6, cette dernière peut, par exemple, avoir une longueur L de 1000p une largeur V de 100 et une profondeur T de Sp. Quand la longueur Â de la sous-couche 1 est 1100p et que la largeur B d'un élément individuel est 160 , la capacité C1 de l'élément individuel est exprimée comme suit t C1 = #/#(A1- 2WL) = #A1/# - 2#L cotg (#-2) où A1 est la surface totale de la jonction PN (A x B + L x W + L x T + V x T = 2,81 x 105 ), e est l'angle d'inclinaison par rapport à la surface cristalline (111), e est la constante diélectrique du silicium (environ 1,04 x 10-4 pf/p) et w est la largeur de la couche appauvrie (eY13/constante S o,429 V/3 ). Afin de simplifier le calcul on suppose que la surface latérale de la partie est perpendiculaire à la surface principale de la sous-couche 1. La structure ci-dessus est appliquée k un élément-qui est conçu. de façon à posséder une capacité C = 5pF k la tension appliquée de 5 V. L'équation ci-dessus peut être simplifiée comme suit : C1 = 68,0 V- 1/3 - 0,208 cotg( 9/2). On peut donc exprimer la capacité C1 en fonction de la tension appliquée V et de l'angle dtinclinaison par rapport à la surface (111). Les courbes des caractéristiques C-Y sont représentées sur la fig. 7, servant de paramètre Comme il apparatt sur cette figure, le taux de variation de la capacité C augmente à mesure que diminue. L'angle e est' compris entre 0,50 et 80. La fig0 5 montre un autre mode de réalisation conforme à la présente invention, la forme de la partie creuse 6 étant ici un triangle et la partie la plus profonde se trouvant à son sommet. Dans ce cas, la capacité C2 pour un élément individuel est exprimée comme suit t C3 55,9 v-1/3 ~ 0,208 cotg (a) + 4,47 x 10-4 cotg (a)V1/3 La courbe caractéristique C-Y est représentée sur la fig. 9. On peut obtenir les résultats ci-dessus quand la partie creuse 6 apparaissant sur les fig. 4 k 6 est conçue de manière k avoir une longueur L = 1000p et une largeur s - 100p. La capacité C0 quand L et K varient et que la tension appliquée V est fixée k un volt est calculée approximativement comme suit. (1) sur la fig. 4 CO = -L(2 + 65) (2) sur la fig. 5 C0 5 #L(2W + 60 - T/2) (3) sur la fig. 6 CO -L(# t 65 - W/2). Les courbes des caractéristiques C0-L conforméent k l'équation (1) ci-dessus avec V comme parambtre sont représentées sur la fig. 10o Comme il apparatt sur cette figure, on peut obtenir des valeurs appropriées de L et V pour des valeurs désirées de Ca- pacité.Des discussions similaires peuvent être appliquées au cas des équations (2) et 43) ci-dessus0 On comprendra d'après les résultats ci-dessus qu'avec une surface constante d'un élément individuel, le taux de variation de la capacité atteint sa valeur la plus grande quand la forme est rectangulaire et qu'on peut faire varier ce taux dans une gamme plus étendue en faisant varier de façon appropriée la longueur et la largeur de la partie creuse0 On comprendra d'après la description qui précède que, con formément k la présente invention, on peut obtenir un élément doué de capacité dont la variation de la capacité présente un degré de dépendance excellent vis-k-vis de la tension, cela au moyen d'une structure simple, de sorte que l'invention se révèle très avan- tageuse dans la pratiquez On peut choisir de façon appropriée diverses structures suivant les fins recherchées. Bien que le degré de dépendance de la variation de la capacité vis-k-vis de la tension augmente à mesure que angle d'inclinaison e par rapport à la surface cristalline (111) diminue, la différence des valeurs de capacité parmi les éléments fabri qués staccrott. Par conséquent, on choisit, de préférence, la valeur de'Q de manière qu'elle se situe entre 0,5 et 80, particulièrement entre r et 20 dans la pratique. Par ailleurs, quand la largeur V de la partie creuse est faible et que la tension appliquée est très importante, le taux de variation de la capacité devient relativement faible. Par conséquent, il est bon, dans la pratique, que la largeur V de la partie creuse formée par attaque B l'acide se limite à une gamme cons tantet par exemple entre 100 et 300p et, de façon souhaitables entre 100 et 200p. Toutefois, il est inutile de dire que la présente invention ne se limite pas à ces valeurs. Diverses formes autres que celles représentées pour les modes de réalisation ci-dessus peuvent titre conçues en escomptant obtenir un effet similaire. On va maintenant expliquer un autre mode de réalisation en se référant aux fig. lla k lld. On forme une pellicule d'oxyde 12 sur une sous-couche monocristalline 11 de silicium de type P fortement dopée, cela en chauffant la sous-couche dans une atmosphère oxydante. On forme dans la pellicule d'oxyde 12 une ouverture ou entre 13 au moyen d'une technique de photo-gravure classique, comme représenté sur la fig. 1la. On découpe la surface principale de la sous-couche 11 de manière que cette surface soit parallèle à un plan incliné d'un angle 9 de quelquesdegresmais inférieure à 8 , par exemple 20, par rapport au plan (111). On soumet alors la sous-couche Il à une vapeur chlorhydrique (HC1) pendant que l'on chauffe la sous-couche 11 k une température d'environ 1100 C, de manière à former un creux 14 dans lequel un plan 15 parallèle au plan (111) est b nu - comme représenté sur la fig. lld. On remplit le creux 11 présent dans la sous-couche 11 avec un silicium 16 de type N que l'on a fait croire de façon épita- xiale, comme représenté sur la fig. llc, en déposant du silicium de type N à partir d'une phase vapeur sur la sous-couche llo On polit mécaniquement la surface de la sous-couche 11 de manière à enlever une partie inutile de la région 16 de silicium de type N que l'on a fait crotte de façon épitaxiale et qui peut faire saillie à partir de la surface principale de la sous-couche 11. On forme à nouveau une pellicule d'oxyde 17 sur la surface principale de la sous-couche 11, comme indiqué en 17, et on' forme successivement, une région 18 de type P reliée à la sous-couche 11 de type P ainsi qu'une région 19 de type N en vue d'un contact ohmique, cela au moyen d'un procédé classique de diffusion sélective utilisant de l'oxyde de silicium comme masque de diffusion, Ensuite, on relie des contacts à la région 17 de type N et k la sous-couche 11 de type P, respectivement. Pour faire fonctionner le condensateur présentant la struoture semiconductrice représentée sur la fig0 1ld > on applique une tension inverse entre la sous-couche 11 et la région 19 et une région appauvrie en porteursou charge d'espace, prend naissance dans la région 16 de type N à partir des régions 11 et 18 de type F. On va maintenant expliquer un autre mode de réalisation conforme à la présente invention en se référant aux figo 12a à 12d. Dans ce cas, on prépare, en tant que sous-couche semiconductrice initiale, un corps 21~de silicium monocristallin de type N et on forme une pellicule d'oxyde 22 comportant une ouverture 23, sur la surface principale de la sous-couche 21, comme représenté sur la figo 12ao âpres avoir formé un creux ou évidement 24 en mettant à nu le plan cristallin (111) 25 dents la sous-couche 21 de la même fa çon que celle expliquée ci-dessus B propos de la fig. llb,on forme dans l'évidement 24 une couche fortement dopée 26 de type P comme senté sur la fig. 12b, en diffusant une impureté de type P dans l'évidement 24 ou en faisant crotte de façon épitaxiale la couche 26 de type P sur la surface inférieure de ltévidement 24. Ensuite, on forme une région 27 de type N dans l'évidement 24 de la meme façon que celle expliquée k propos de la fig. llc et, on forme dans la région 27 de type N une région fortement dopée 29 de type P raccordée k la sous-couche 21 de type P et une région fortement dopée 30 de type N, de la même façon que celle expliquée à propos de la fig. lld. On recouvre la surface de la sous-couche 21 avec une pellicule d'oxyde de silicium 280 Il-est bien entendu que la description qui précède nta été donnée qu'k titre purement illustratif et non limitatif et que toutes variantes ou modifications peuvent y être apportées sans sortir pour autant du cadre général de la présente invention0 VRNDICÂT IONS 1. Condensateur à semiconducteurs comprenant : une première région semiconductrice d'un premier type de conductivité comportant une partie à section décroissante; une seconde région semiconductrice fortement dopée, d'un second type de conductivité opposé au premier type de conductivité, en contact avec ladite partie à section décroissante de la première région de manière b former entre elles un premier plan de jonction PNp et une troisième région semiconductrice fortement dopée, du second type de conducti vité, en contact avec ladite partie k section décroissante de la première région de manière à former entre elles un second plan de jonction PN, le premier et le second plan de jonction PN se coupant k la partie k section décroissante de la première région de manière que la partie k section décroissante se trouve entre lesdits plans0 2. Condensateur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'une des première et seconde jonctions PN est parallèle k un plan cristallin (111). 3. Condensateur suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que l'une des première et seconde jonctions PN est parallèle k un plan cristallin (211). 4. Condensateur à semiconducteurs comprenant t une souscouche semiconductrice d'un premier type de conduotivité comportant un premier plan plat; une couche semiconductrice d'un second type de conductivité opposé- au premier type de conductivité et cons titubée sur le premier plan plat de la sous-couche de manière à former un premier plan de jonction PN avec la sous-couche, la couche semiconductrice comportant une partie creuse ou évidée au fond de laquelle se trouve un second plan plat incliné d'un angle de quel qu degri par rapport audit premier plan plat; et une région semi- conductrice du premier type de conductivité formée dans la partie creuse de façon à atteindre la sous-couche et k constituer avec la couche semiconductrice précitée un second plan de jonction PN parallèle audit second plan plat de la partie creuse et coupant,suivant l'angle précité, ledit premier plan de jonction FN. 5. Condensateur suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit second plan plat se trouvant au fond de la partie creuse est parallèle à un plan cristallin (111). 6. Condensateur suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que l'angle compris entre lesdits premier et second plans de jonction PN est compris entre 0,50 et 80. 70 Condensateur suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que l'angle compris entre lesdits premier. et second; plans de jonction PN est compris entre 10 et 20c 8. Condensateur à semiconducteurs comprenant X une souscouche semiconductrice comportant dans sa surface principale une partie creuse ou évidée dont le plan du fond est incliné d'un angle de quelques degri par rapport k la surface principale de la sous-couche, cette sous-couche comportant dans la partie creuse une région semiconductrice portement dopée d'un premier type de conductivité disposé parallèlement audit plan du fond de la partie creuse susvisée; une région semiconductrice d'un second type de conductivité opposé: audit premier type de conductivité remplissant la partie creuse et constituant avec avec la région fortement dopée n premier plan de jonction PN parallèle audit plan du fond de la partie creuset et une autre région semiconductrice fortement dopée du premier type de conductivité formée sur ladite région semiconductrice du second type de conductivité de manière k constituer un second plan de jonction PN parallèle à la surface principale et coupant le plan du fond précité. 90 Condensateur suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que ledit plan du fond de la partie creuse est parallèle k un plan cristallin (111), 10. Procédé de fabrication d'un condensateur k semiconducteur consistant : k former une première couche monocristaîline semiconductrice d'un premier type de conductivité sur une surface plane d'une sous-couche monocristalline semiconductrice d'un second type de conductivité opposé au premier type de conductitité la surface plane de la sous-couche faisant un angle faible par rapport à un plan cristallin (111);; k recouvrir la surface principale de la première couche semiconductrice, qui est parallèle k la surface plane de la sous-couche, avec une matière résistante à l'attaque d'un produit corrosii et formant une couche de masquage comportant une ouverture découvrant une partie de la surface principale de la première couche; à soumettre la surface découverte de la première couche b un produit corrosii de manière k former une partie creuse dont la surface du fond est parallèle au plan cristallin (111); et à former une seconde couche semiconductrice du second type de conductivité atteignant la sous-couche précitée dans la partie creuse cette seconde couche constituant avec ladite première couche un plan de jonction PN parallèle au plan (111) et coupant un plan de jonction PN formé, suivant un angle faible, entre ladite sous-couche et ladite première couche. 11. Procédé suivant la revendication 10, caractérisé par le fait que le produit corrosif précité est un gaz halogéné. 12. Procédé de fabrication d'un condensateur à semiconducteursconsistant à s former une couche-masquefen une matière résistant k un produit d'attaquesur une surface plane d'une sous-couche semiconductrice monocristalline d'un premier type de conductivité incliné-d'un angle faible par rapport à un plan cristallin (111), la couche-masque comportant une ouverture découvrant une partie de la-surface plane de la surface de la sous-couche; k soumettre la surface découverte de la sous-couche k un produit dlattaque de manière k former une partie creuse- dont la surface du fond est parallèle au plan cristallin (111);; k remplir la partie creuse avec une première région semiconductrice d'un second type de conductivité opposé au premier type de conductivité, cette première région semiconductrice constituant avec la sous-couche un premier plan de jonction PN parallèle au plan cristallin (111); et à former une seconde région semiconductrice du premier type de conductivité sur la première région semiconductrice de manière que la seconde région forme avec ladite première région un second plan de jonction PN parallèle à la surface plane de la sous-couche et coupant le premier plan de jonction FN. 13. Procédé de fabrication d'un condensateur à semiconducteursconsistant : à former'ncouche-masque en une matière résistant aux produits d'attaque sur une surface plane d'une souscouche semiconductrice monocristalline inclinée d'un angle faible par rapport au plan cristallin (111), cette couche-masque comportant une ouverture découvrant une partie de la surface plane de la sous-couche; W soumettre la surface découverte de la sous-couche à un produit d'attaque de manière former un évidement dont la surface intérieure est parallèle au plan cristallin (111); à former dans ledit évidement une première région semiconductrice d'un premier type de conductivité s'étendant le long de la surface inférieure de l'évidement; k remplir l'évidement avec une seconde région semiconductrice d'un second type de conductivité opposé au premier type de conductivité, cette seconde région constituant avec ladite première région une première jonction PN parallèle au plan cristallin (111); et à former une troisieme zégion samizonductrice du premier type de conductivité sur la sec-onde région de manière que la troisième région forme avec ladite seconde région une seconde jonction PN parallèle k la surface plane de la sous-couche et cou pant la première jonction PN.