Brevet FR2024110A1 — publié le 19700828

i 2024110 L'invention concerne des dispositifs perfectionnés à couche d'arrêt. les dispositifs à couche "d'arrêt qui comportent des diodes à "barrière superficielle et qui sont "basés sur la conduction d'une 5 jonction métal/semi-conducteur non conforme à la loi d'ohm sont 1 bien connus. Cependant ces dispositions présentent en général l'inconvénient d'une caractéristique inverse mal définie, ce qui limite leur utilisation dans certaines applications importantes. le mécanisme responsable de ce comportement anormal, a été identifié 10 récemment comme étant une décharge inverse prématurée provoquée par des effets de bord à proximité de la jonction. On a suggéré d'y remédier en construisant la diode de manière que la jonction soit sensiblement plane sur toute sa surface (jonction "plane"). Un procédé permettant d'obtenir cette structure consiste en la 15 mise en place d'anneaux de garde à jonction-pn du type décrit dans le Bell System Technical Journal, volume 47 n° 2, pages 195 à 208 (1968) et dans la demande de brevet des Etats Unis d'Amérique n° 676 509 du 19 Octobre 1967 déposée par M.P. LEPSELTER et S.M. SZE. On a observé que les diodes réalisées selon ces principes ont 20 des caractéristiques de claquage inversé bien définies et presque parfaites. Il est évident qu'une diode Schottky' réalisée avec un anneau de garde est un dispositif utile et pouvant être important. Il est également évident que des considérations semblables s'appliquent aux jonctions pn classiques puisque l'allure du champ 25 électrique d'une barrière Schottky est tout à fait comparable à l'allure du champ d'une jonction pn et la barrière Schottky, dans le cas de la présente invention, peut être considérée comme une jonction pn très mince. Par conséquent, du point de vue le plus général, l'invention est applicable aux dispositifs à couche d'ar-50 rêt, expression destinée à couvrir toutes les diverses formes de jonctions redresseuses. Le dispositif perfectionné à couche d'arrêt, dans lequel l'anneau de garde est une couche isolante réalisée dans la surface plane du dispositif, a une structure différente des dispositifs 55 à anneau de garde à jonction pn proposés antérieurement. Par comparaison avec les anneaux de garde à jonction pn de la technique antérieure, l'anneau de garde isolant est avantageux à cause de sa 69 40014 2 2024110 simplicité propre et parce que la diode peut être réalisée avec une résistance série inférieure placée dans la couche sous-jacente ou substrat, la capacité parallèle de la jonction p-n est également supprimée. Plus précisément, on a observé que la tension de 5 décharge inverse d'une barrière Schottky protégée par une jonction p-n est fortement influencée par le gradient d'impuretés de la jonction et qu'une jonction à échelonnement progressif favorise la décharge. Cependant, une jonction à échelonnement nécessite un substrat plus épais et ceci engendre une résistance parasite. 10 la présence d'une capacité indésirable en parallèle, attribuable à la présence de l'anneau de garde à jonction, va de soi. Les procédés de traitement pour la formation de structures à anneau de garde isolant sont des caractéristiques additionnelles de l'invention. Bien qu'il existe sans aucun doute de nombreux 15 procédés possibles de réalisation de dispositifs à couche d'arrêt avec anneau de garde isolant, ceux décrits ci-après sont particulièrement compatibles avec les techniques dites "à jonctions planes" ou planare (avec éléments sur une même surface plane) et celles comportant un conducteur épais. 20 Par exemple, une série d'opérations destinées à la réalisa tion de dispositifs à barrière siliciure métallique/silicium comporte les opérations ci-après : dépôt d'un isolant superficiel sur un substrat de silicium, formation par attaque chimique d'une fenêtre dans l'isolant, dépôt d'une couche de métal formateur 25 de siliciure sur cette fenêtre, dépôt d'un contact métallique à l'intérieur de la fenêtre de manière à laisser un espace annulaire entre ledit contact et l'oxyde; et oxydation du siliciure à découvert dans l'anneau et de la surface de silicium au-dessous de 1'intersurface de manière à former l'anneau de garde d'oxyde. Il va de 30 soi que l'anneau de garde est placé de façon précise à la suite de l'utilisation du contact métallique comme masque pendant l'opération d'oxydation finale. Une autre solution d'emploi plus général associe l'opération de formation de l'anneau de garde isolant à une opération de pas-35 sivation et, tout comme le mode opératoire décrit ci-dessus, consiste à mettre en place l'anneau de garde par rapport à la barrière en utilisant le contact métallique comme masque pendant 69 40014 3 2024110 l'oxydation. Un avantage additionnel de cette série d'opérations est l'absence de masque d'oxyde. La suppression de l'opération correspondante, qui était admise comme une condition normale dans la technologie "planare" constitue un sérieux progrès. 5 L'invention concerne un dispositif à couche d'arrêt comportant un substrat semi-conducteur avec un élément de surface plane et une barrière redresseuse coplanaire réalisée dans ledit substrat au-dessous de ladite surface plane, ce dispositif étant caractérisé par une région isolante réalisée dans le substrat semi-con-10 ducteur de manière que le pourtour en matière isolante entoure essentiellement ladite barrière et que ladite barrière soit entièrement dans un même plan. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée qui va suivre et des ■J5 dessins sur lesquels : la figure 1 est une coupe transversale partielle d'un substrat de silicium traité selon le procédé de l'invention; et la figure 2 est une coupe transversale partielle d'un dispositif à barrière de silicium traité selon un autre mode d'exécu-20 tion de l'invention. Sur la figure 1, le substrat 10 est du silicium n comportant une couche 11 du type n sur sa surface» Cetté surface est oxydée par des procédés courants, par exemple par oxydation à la vapeur d'eau ou par un plasma ou par dépôt pyrolytique de silice SiÛ2 de 25 manière à former une couche d'oxyde 12 sur la surface de la couche n 11. Une valeur convenable de cette épaisseur est comprise O entre 1000 et 10 000 A, bien que ces limites ne soient pas strictes» La couche d'arrêt est ensuite attaquée chimiquement de manière à mettre à nu une fenêtre ayant une dimension moyenne "a" de l'ordre 30 de 25 microns, cette dimension étant aussi donnée à titre d'exemple. Un métal formateur de siliciure est déposé dans cette fenêtre. Les métaux formateurs de siliciures les plus efficaces sont le nickel, le titane, le zirconium, l'hafnium et les six métaux du groupe du platine 69 40014 4 2024110 400°C, en général de l'ordre de 700°C, de manière à favoriser la formation d'une couche de siliciure'13 dans la fenêtre. Le métal restant sur l'oxyde peut ensuite être éliminé par attaque chimique ou par bombardement ionique. Une épaisseur convenable de la couche 0 ✓ 5 déposée est 1000 A, mais elle peut varier sans inconvénient entre o 400 et 2000 A. Après la formation du siliciure, la surface du dispositif est recouverte d'une couche 14 de titane et d'une couche 15 de platine de manière à constituer une partie d'un contact classique du type conducteur épais. Des valeurs appropriées de O 10 l'épaisseur de ces pellicules sont respectivement 1000 A et 0 3000 A. Ces dimensions ne sont pas non plus imposées. On doit utiliser suffisamment de titane pour que le contact épais adhère bien au siliciure et joue un râle utile de "fixateur" (getter). o A cet effet, une épaisseur comprise entre 500' et 2000 A est suf-15 fisante. La couche de platine sert simplement à séparer la couche de titane du revêtement d'or (appliqué ensuite) et doit être un peu plus épaisse que la couche de titane, c'st-à-dire d'épaisseur O comprise entre 1000 et 5000 A. Le revêtement classique 16 d'or est alors déposé sur une partie du contact titane-platine en laissant 20 une couronne circulaire entre ledit revêtement et l'oxyde entourant la fenêtre. Ce revêtement a une épaisseur comprise par exemple entre 1 et 20 microns. Cette épaisseur doit être au moins double de l'épaisseur combinée des couches titane-platine pour permettre la mise en oeuvre de l'opération de bombardement ionique décrite 25 ci-après mais a - par ailleurs - assez peu d'importance. Le contact peut être déposé par électrolyse de manière connue. La forme ou les dimensions du contact métallique sont sans importance tant que l'anneau compris entre le contact et la couche d'arrêt est préservé. Le platine à découvert est ensuite éliminé par bombar-30 dement ionique. Pendant cette opération, le revêtement d'or sert de masque en ce sens qu'il délimite la région où le platine subsiste. Lê bombardement ionique de la couche d'or elle-même est sans importance à cause de l'épaisseur relative des couches intéressées. Un procédé de bombardement ionique utilisable pour cette opération 35 ainsi que les autres opérations de bombardement ionique étudiées plus loin est décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n° 3 271 286. Le titane mis à nu par cette opération est également' 69 40014 5 2024110 éliminé par bombardement ionique. L'ordre ci-dessus des opérations est indiqué uniquement à titre d'exemple. D'autres variantes conduisant au même résultat sont possibles. Par exemple, si le siliciure est déposé sur toute 5 la surface du support avant la formation de la couche d'oxyde 12, l'élimination du métal formateur de siliciure de la couche d'oxyde devient inutile. L'objectif à atteindre à ce stade du procédé est la formation d'un anneau entre le contact métallique et la couche d'oxyde. 10 L'ensemble est ensuite soumis à une oxydation de manière à provoquer la croissance d'une couche d'oxyde en direction de la surface du siliciure, qui peut être par exemple du siliciure de zirconium, mis à nu dans l'anneau. On peut faire croître cette couche par le procédé décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amé-15 rique n° 3 337 438. Il ne suffit pas de déposer une pellicule d'oxyde dans l'anneau de garde isolant lorsque celui-ci doit s'étendre au-dessous de la surface et au-dessous de la surface commune de siliciure métallique et de silicium à une profondeur dépassant l'épaisseur de la charge spatiale. En particuliers il suffit o 20 en général que la couche isolante pénètre au moins de 1000 A au-dessous de la surface commun^ÉLu siliciure métallique et du silicium. Lorsqu'on utilise du platine comme métal formateur de siliciure, le siliciure de platine est de préférence éliminé par bombardement ionique, avant oxydation, puisque 1g siliciure de platine 25 résiste à l'oxydation. La structure obtenue est un dispositif à couche d'arrêt dans lequel, grâce à l'anneau de garde d'oxyde, ladite couche est plane sur toute sa surface., L'anneau de garde d'oxyde se forme à l'alignement exact du contact métallique du fait de l'utilisation dudit contact comme masque pendant la crois-30 sance de la couche d'oxyde. Un autre procédé de formation d'une structure à anneau de garde d'oxyde, qui est à préférer du point de vue de la simplicité, est décrit en regard de la figure 2. Un support 20 de silicium comportant une couche n 21 est exposé - à l'action d'un métal for-35 mateur de siliciure de manière à former une couche 22 de siliciure métallique sur toute la surface du semi-conducteur. Le contact métallique 23 est ensuite formé sur la surface du siliciure par 69 40014 6 2024110 évaporation et attaque chimique localisée, conformément aux procédés connus applicables aux couches minces. Ce contact peut être en un métal conducteur quelconque tel que l'or ou le titane, ou en un métal filmogène ou à effet de soupapes, tel que l'aluminium, 5 le tantale, le niobium, le tungstène, le zirconium ou l'hafnium. On oxyde ensuite l'ensemble, par exemple par un procédé utilisant un plasma et mentionné à propos du traitement du dispositif de la figure 1. la couche d'oxyde croîtra dans la surface du siliciure et dans le métal du contact si c'est un métal filmogène. La 10 région ainsi transformée est délimitée sur la figure 2 par la ligne en pointillé 24 indiquant la profondeur de pénétration de l'oxygène. La région du siliciure au-dessous du contact reste inchangée (tant que le contact métallique est suffisamment épais pour qu'il ne soit pas traversé par l'oxygène) mais est entourée 15 par un anneau de garde d'oxyde isolant. L'opération d'oxydation servant à former l'anneau, de garde joue un double rôle, dont l'isolement de la totalité de la surface du dispositif» Bien que la description ci-dessus concerne principalement les barrières métal/siliciure, la présente invention est également 20 applicable aux barrières courantes métal/semi-conducteur, par exemple aluminium/silicium, palladium/germanium, or/arséniure de gallium ou d'autres combinaisons dans lesquelles la surface du substrat est 1'intersurface de la barrière. Les exemples ci-après permettront de mieux comprendre l'in-25 Mention. Exemple 1 - Cet exemple décrit un procédé de réalisation d'une structure semblable à celle représentée sur la figure 1. Une plaquette de silicium comportant une couche épitaxiale 30 11 du type ayant une résistivité voisine de 1 ohm.cm , de type n, est utilisée comme substrat. Une couche 12 d'oxyde de 5 microns d'épaisseur est formée par pyrolyse de tétra-éthoxysilane dans l'hydrogène à 9006C, ou celle d'un mélange de SiCl^, C02 et à 1000°C, ces deux procédés étant connus pour la formation de couches 35 de SiO^. Cet oxyde est attaqué chimiquement par des procédés connus de photolithographie de manière à former une fenêtre dont la dimension "a" (figure l) est égale à 25 microns. Ensuite, on dépose 69 40014 7 2024110 par pulvérisation cathodique une couche de zirconium de 0,1 micron d'épaisseur à la surface de l'ensemble par un procédé connu» La pellicule et le substrat sont chauffés à 700°C de manière à former du siliciure de zirconium dans le fenêtre de la couche 5 d'oxyde. Le zirconium recouvrant la couche d'oxyde peut être éliminé si on le désire par de l'acide fluorhydrique dilué qui dissout le zirconium mais n'attaque pas de manière appréciable le siliciure de zirconium. En variante, la couche de siliciure 13 peut être appliquée sur toute la surface du substrat avant la forma-10 tion de la couche d'oxyde 12, auquel cas on supprime l'opération d'enlèvement du zirconium de la surface de la couche d'oxyde. Pour former le contact métallique, on procède à une pulvérisation cathodique de 0,15 micron de titane sur la surface, puis de 0,35 micron de platine. Cette opération de pulvérisation est aussi connue. Il 15 est commode dans ce cas d'utiliser un système à deux cathodes tel celui décrit dans Rev. Sci. Inst., 32; 642-645 (1961). Ensuite, on dépose 12 microns d'or sur le contact platine-titane par élec-trolyse de manière connue, en utilisant par exemple le procédé de dépôt décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 2 905 601o 20 La région déposée par électrolyse a des dimensions qui per mettent de réaliser l'espace annulaire entre le contact de type conducteur épais 14, 15, 16 de la figure 1 et la limite de la fenêtre ménagée dans l'oxyde 12. L'ensemble subit un bombardement anodique, opération pendant laquelle le platine et le titane pré-25 sents dans l'anneau sont éliminés. Une ^épaisseur correspondante d'or disparaît pendant cette opération, mais elle est petite par rapport à celle du revêtement. L'anneau de garde d'oxyde est ensuite formé par croissance d'une couche d'oxyde dans le siliciure de zirconium mis à nu en utilisant le contact métallique comme 30 masque. L'oxydation est mise en oeuvre en soumettant la couche de siliciure à l'action d'un plasma d'oxygène de haute énergie» Ce plasma est engendré par ume source hyperfréquences de puissance comprise entre 300 et 1000 ¥ à 2450 MHz dans l'oxygène, sous une pression de un torr avec une polarisation continue de 70 V entre 35 les électrodes. On trouvera d'autres détails sur,ce procédé dans iDrôciij© le brevet des Etats Unis d'Amérique n° 3 337 438/.On fait croître O la couche d'oxyde jusqu'à une profondeur d'environ 2000 A, ce qui 69 40014 8 2024110 nécessite line exposition à l'action du plasma d'oxygène d'environ 20 mn. la structure obtenue contient une barrière planare sous-jacente entourée par un anneau de garde isolant. 5 Exemple 2 - Cet exemple concerne un procédé de formation de la structure à anneau de garde d'oxyde de la figure 2, caractérisé par sa simplicité et son bon marché. Un support de silicium 20 du type n de faible résistivité , 10 recouvert d'une couche épitaxiale 21 de résistivité supérieure (environ 1 ohm.cm) sert de substrat comme dans l'exemple 1. Une couche 22 de siliciure de zirconium est formée par un procédé sensiblement identique à celui décrit ci-dessus à propos de la formation de la couche 14 de la figure 1. Un contact métallique 23 est 15 établi en direction de la couche de siliciure par dépôt par évapo- ration de 10 microns d'aluminium en utilisant un gros filament de —2 tungstène à 1200°C. (tension de vapeur de l'aluminium = 10 torr). Le contact est délimité, après formation de masque, par une opération connue de photo-lithographie, à savoir par attaque chimique 20 avec de la soude caustique diluée. La structure obtenue est oxydée comme dans l'exemple 1 de manière à former l'anneau de garde d'oxyde autour de la couche d'arrêt sous-jacente. L'opération d'oxydation provoque aussi la formation d'une couche isolante sur le contact d'aluminium. Dans cet exemple, l'opération d'oxydation 25 accomplit simultanément deux fonctions importantes : formation de l'anneau de garde isolant et isolement de la surface du dispositif, y compris le contact métallique. Un contact électrique avec 23, par exemple par un fil, un conducteur épais ou un circuit imprimé peut être réalisé de préférence avant l'oxydation. 30 On a observé que les diodes à couche d'arrêt préparée par ce procédé ont des caractéristiques satisfaisantes de claquage inverse. Un claquage brusque se produit vers 40 Y, ce qui est très proche de la valeur théorique. Exemple 3 - 35 On opère dans cet exemple comme dans l'exemple 2, sauf que la couche de siliciure métallique est supprimée. Le contact d'aluminium forme une barrière superficielle avec le substrat de silicium 69 40014 9 2024110 et l'oxydation est réalisée directement. Bien que les caractéristiques de la barrière Al-Si soient différentes de celles de la barrière"silicium/siliciure de 3!exemple 2, l'anneau de garde d'oxyde, qui,est la caractéristique fondamentale de l'invention, 5 est également efficace. Bien que des parties précises de la description ci-dessus concernent principalement les barrières siliciure-métallique/si-licium et les anneaux de garde d'oxyde, on admet que la portée de cette invention est plias générale, la présente invention vise 10 essentiellement un anneau de garde isolant associé à une couche d'arrêt. Une variante évidente consisterait par- exemple à utiliser un anneau de garde au nitrure de silicium qui pourrait être obtenu par un procédé presqu'identique à celui décrit à propos de la formation de l'anneau de garde d'oxyde. La substitution d'un plasma 15 d'azote à un plasma d'oxygène dans 1'opération d'oxydation est très facile. Il est seulement essentiel, pour les applications de l'invention, que l'anneau de garde soit isolant» Bien qu'il existe sans aucun doute d'autres possibilités, l'utilisation de l'azote, 20 de l'oxygène et du carbone ainsi que de mélanges ou combinaisons de ces éléments tels que MO* et C0+ semble devoir être les plus intéressantes en se basant sur les faits connus. De plus, l'an-néau de garde peut être utilisé en liaison avec d'autres barrières métal/semi-conducteur, par exemple palladium/germanium et or/ar-25 séniure de gallium. Le terme "anneau" employé ici est un terme commode pour définir -un pourtour. Evidemment ce pourtour peut avoir d'autres formes, par exemple celle d'une étoile ou d'un polygone» 69 40014 10 2024110 REVENDICATIONS 1. Dispositif à couche d'arrêt comportant un substrat semiconducteur avec une surface, plane et une barrière redresseuse co-planaire réalisée dans ledit substrat au-dessous de la surface 5 plarie, ce dispositif étant caractérisé par une région isolante formée dans le substrat semi-conducteur de manière qu'un pourtour en matière isolante entoure essentiellement la barrière, cette dernière étant en totalité dans un plan unique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qae 10 la région isolante est constituée par un oxyde, nitrure ou carbure du semi-conducteur constituant le substrat. 3o Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le semi-conducteur est du silicium» 4. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 et 3 15 caractérisé en ce que la barrière est une barrière Schottky. 5o Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un contact métallique est placé au-dessus du siliciure métallique . 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que 20 le métal du siliciure métallique est du nickel, du zirconium, du titane, de l'hafnium ou l'un des six métaux du groupe du platine. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé par la présence d'une couche isolante sur la surface plane dans laquelle est ménagée une ouverture qui entoure la région 25 contenant le siliciure métallique; par un contact métallique situé dans la région de ladite ouverture mais espacé des bords de cette dernière en laissant à découvert une partie de la région contenant le siliciure (anneau) et par une région isolante pénétrant dans le siliciure métallique à découvert et dans une partie de la sur-30 face du silicium, au-dessous du siliciure métallique, de manière à former un contour en matière isolante entourant essentiellement la barrière.