Brevet FR2046700A1 — publié le 19710312

la présente invention a pour objet et concerne essentiellement une diode de Zenerde grande puissance, et ses procédés de fabrication. Récemment, sont apparues des diodes de Zener pouvant générer 5 urne puissance beaucoup plus grande que le puissance des diodes tunnel, ou des transistors, en observant un grand rendement. Ces diodes de Zener, que l'on appelle généralement diodes.à mode "anormal", étaient capables de générer une puissance HP de 100 watts avec des rendements de 25 à 40 fo, dans la bande de fréquences!. 10 Bien que ces diodes de Zener ën mode anormal^ génèrent des grandes puissances, avec de haute rendement dans la bande de fréquencesL, il serait souhaitable de disposer d'une diode qui aurait également une meilleure puissance, et un meilleur rendement, comparé aux diodes de Zener standard^ même dans les niveaux de 15 hautes fréquences, tel que les bandes S -et G. Il serait également souhaitable, de connaître un procédé de fabrication de ces diodes de Zener en mode anormal, qui permettrait d'obtenir ces diodes perfectionnées. En résumé, une diode de Zener, de grande puissance, est cons-20 tituée d'un substrat en un matériau - semiconducteur du type N+, de forte concentration en porteurs de charge, ayant une couche épitaxiale en un matériau semiconducteur, d'au moins 6 microns d'épaisseur, à sa surface. Dans la couche épitaxiale, on trouve une région de type P, et une région de type ¥ formant une jonction 25 PU entre ces deux régions, la région de type H étant adjacente à la surface du-: substrat. La région.de type F est d'au moins 3 microns d'épaisseur, et possède une forte concentration en porteurs de charges uniformes. La région de type P a une concentration 30 en porteurs de ■ charges qui. croit à partir de la jonction PÎT jusqu'à la surface de la couche épitaxiale, conformément à la relation : C=Co erfc 35 70 14053 2 2046700 où C est la concentration en porteurs de charges de la région 14 *5 ^53 de type ET, comprise entre 7x10 cm et 1x10 cm Go est la concentration en porteurs de chargesde la région de type P, à la surface de la couche épitaxiale. 5 X est la profondeur de la région de type P en centimètres D est le coefficient de diffusion du dopant de type P. t est le temps de diffusion du dopant du type P, en secondes et s X est compris entre 1,8 et 3,1. 10 2 VTÏ On construit cette diode de Zener de grande puissance, en formant une couche épitaxiale d'au moins 6 microns d'épaisseur, en un matériau semiconducteur du type ET, de concentration en " porteurs de charge faible et relativement uniforme, à la surface 15 d'un substrat en un matériau semiconducteur du type F+, de forte concentration en porteurs de chai"g selon l'expression précitée. 25 l'invention sera mieux comprise et d'autres buts,, caractéris tiques et avantages de celle-ei apparaîtront au cours de la description explicative qui va suivre, en se reportant aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels : 30 - la figure 1 est une section transversale d'un mode de réali sation de la diode de Zener de la présente invention ; - les figures 2 à 4 sont des sections illustrant les étapes d'un procédé de fabrication de la diode de Zener ; - les figures 5 à 8 sont des sections illustrant lés étapes d'un 35 autre, procédé, de fabrication de la diode de Zener ; - les figures 9 et 10 sont des profils de dopage de deux diodes de Zener fabriquées par les procédés de la présente invention. 70 14053 2046700 Exemple I Si l'on se reporte d'abord à la figure 1, l'exemple de réalisation de la diode de Zener de la présente invention, eeb généralement référencée par 10. la diode 10, comprend un substrat 12 en 5 un matériau semiconducteur du type ÏT+ tel que du silicium ou du germanium, et une couche épitaxiale 14 de même matériau semiconducteur, à la surface du substrat 12. la couche épitaxiale 14 comprend une région 16 de conductivité du type ÏT, adjacente à la surface du substrat 12, .et une région 18 de conductivité du type P, sur 10 la région 16 de type If. La région 16 de type ÏT, et la région 18 de type P, forment entre elles une -jonction PK 20. le substrat 12 est en un matériau semiconducteur, de concentration en porteurs de charges relativement élevée d'environ 18-3 10 cm , , et l'épaisseur est de préférence entre 50 et 127 microns. 15 la région 16 de type ÏT, est de concentration en porteurs de charges 14 -3 - faible et uniforme, d'environ 7x 10 cm ,etsaa epaisseur est de 5 à 8 .microns. En outre., la concentration en porteurs de charges d ' une portion mince, de la région 16 du type ÎJ, adjacente à la surface du substrat 20 12, portion d'environ 2 à 4 microns d'épaisseur, a une concentration adaptée en portarrs de charg® -.est./à celle du substrat ÏJ+. la région 18 de type P, a une concentration en porteurs de charge^ qui varie depuis la valeur de celle de la région 16 de type N, à la jonction PÏT, et s'accroit jusqu'à la surface de la couche épitaxiale 14, 25 la couche épitaxiale 14 conformément à la relation suivante : C=Co erfc X 2 V~D7 où C est la concentration en pcrtëurs de charges de la région de 30 -type N, Co est la concentration en porteurs de charges de la région de type P, à la surface de la couche épitaxiale,. X est la profondeur, ide diffusion de la région P en cm, D est le coefficient de: diffusion du dopant du type P, ■zc t est le temps de diffusion et, - - 70 14053 4 2046700 X se situe entre 1 ,8 et 3,1. 2. \J Dt ~ L'épaisseur de la. région de type P peut se situer entre 4 et 12 microns selon la concentration en porteurs de charges du 5 matéirïau dopant de type P, à la surface de la couche épitaxiale. la diode de Zener 10, peut générer des puissances. HP de 100 watts .alr&e des rendement de 25 à 40 fi dans la bande de fréquences 1, et d'environ 50 watts avec un rendement de 10 fi>, dans les bandes de fréquences G et F. 10 En se référant aux figures 2 à 4, on y trouve la représenta tion d'un procédé de fabrication de la diode de Zener 10, Dans ce procédé, on part d'un substrat 12, en un matériau semiconducteur du type ET+ fortement dopé, et de concentration en porteurs de 18-3 charges d'environ 10 cm , tel. que du silicium par exemple, 15 et comportant sur sa surface, une couche épitaxiale. 14 en un matériau semiconducteur de type F, tel que du silicium avec une 14-3 concentration en porteurs de charges se situant entre 7x10 cm 15—3 et 1x10 cm (voir figure 2). L'épaisseur du substrat se situe entre 50 et 127 microns, et la couche épitaxiale a une épaisseur 20 relativement grande d'environ 20 microns. A la surface de la couche épitaxiale 14 représentée sur la figure 3 » on applique alors une couche 22 en un matériau contenant une forte concentration en dopant de type P, pour une concentration en porteurs de charges de 1 g 20 -3 l'ordre de 10 à 10 cm . Par exemple, si le dopant de type P 25 est du bore, la couche 22 peut être en silicate de bore, ou en nitru-re de bore. Une couche en silicaie de bore 22, peut être appliquée par décomposition pyrolytique d'un gaz contenant du bore et du silicium, par exemple, un mélange de triméthylborate et de silicate 30 d'éthyle pour obtenir un-dépôt de silicate de bore à la surface de la, couche épitaxiale. On peut obtenir une. couche de nitrure de bore -22 en plaçant un disque de nitrure de bore près de la couche épitaxiale, dans un vase scellé, et en chauffant afin d'évaporer le nitrure de bore, et d'effectuer son dépôt sur la couche épitaxiale . 35 Le dispositif est alors chauffé, pour faire diffuser Je dopant de type P, tel que le bore, de la couche 22, dans la couche épitaxiale 14, pour créer, une région 18 de type P, au-dessus de 70 14053 5 2046700 la région 16 de type F, avec une jonction PF 20 les séparant, comme l'illustre la figure 4. lia diffusion est effectuée à une température et une durée telles que le dopant de type P, pourra diffuser conformément à la relation précédemment établie, 5 jusqufà une profondeur se situant entre 75 et 230 microns, à partir de la surface du substrat 12. Par exemple, avec une concentration en porteurs de charges pour le dopant de type P, 20 -3 du bore, dans la couche 22? d'environ 10 cm , et une concentration en porteurs- de charges dans la couche épitaxiale, pour du 14 -3 10 silicium de type F? d'environ 9x10 cm , et la diffusion s ""effectuant à une température de 1150°C pendant 15 heures, il y aura diffusion du dopant de type P, sur une profondeur drenviron 12 microns dans la couche épitaxiale 14. Le chauffage du dispositif provoque également une autre dif-15 fusion entre le substrat 12 de type F+ et la couche épitaxiale 14 de type F, pour constituer une région de type F, adaptée à la surface du substrat. Ainsi, ce procédé réalise une diode de Zener 10, doni; le profil de concentration est représenté sur la figure 9» et comprend une région profonde de type P, diffusée à 20 plusieurs valeurs de concentration en porteurs de charges, une région de type F relativement mince, de concentration en porteurs de charges, uniforme, et une région de type F dont les valeurs de concentration en porteurs ds charges sont adaptées au substrat de type F+. Le fait d'avoir une région 25 de type P, diffusée sur une grande profondeur, constitue l'avantage d'une jonction PF exempte d'un microplasma uniforme, essentiel pour les diodes de Zener qui fonctionnent suivant un niveau de densité de colorant d'avalanche élevée. Après la diffusion du dopant de type P dans la couche épita-30 xiale 14, on retire la couche 22, soit par broyage, soit par attaque chimique, et on peut appliquer sur la surface de la région 18 de type P? et le substrat 12 de type F+2 des contacts métalliques non représentés. EXEMPLE II 35 Si 11 on se réfère aux figures 5 à 8, on y trouve un autre procédé de fabrication d'une diode de Zener 10, Dans ce procédé, 70 14053 6 2046700 on part- d'un substrat 12' en un matériau semiconducteur du type F+ fortement dopé et de concentration en porteurs de charges 18 -3 d'environ 10 cm , tel que du silicium, dont la surface est recouverte d'une couche épitaxiale 14' en un matériau semiconduc- 5 teur du type F, tel que du silicium, ayant une concentration 14-3 15-3 en porteurs de chargessituée entre 7x10 cm et 1x10 cm - , comme le représente la figuré 5. Le. substrat a une épaisseur comprise entre 50 et 127 microns, et la couche épitaxiale a une épaisseur d'environ 10 microns. Comme le représente la figure 6, 10 on applique sur la surface de la couche épitaxiale 14'? une couche 22' en un matériau contenant un dopant de type P, en forte concentration, et dont la concentration en porteurs de charges 1 Q 20 a est de l'ordre de 10 à 10 cm . Le matériau de la-couche 22', peut être le même que celui de la couche 22, et peut être également 15 appliqué de la même manière, que dans le procédé des figures 2 à 4 précédemment décrit-. Le dispositif est alors chauffé pendant une durée assez courte , par exemple une minute, pour faire diffuser le dopant de type P sur une courte distance, dans la couche épitaxiale 14'.- Ceci 20 créée une région 24, mince, de type P fortement dopée,-à la surface-de la couche épitaxiale 14'» comme le montre la. figure 7. Comme l'illustre encore la figure 7? la couche 22' est alors retirée, par exemple par broyage mécanique, ou attaque- chimique. Ce dispositif est- alors chauffé de nouveau pour faire diffuser le dopant 25 cle type P dans la région 24, dont une plus grande distance dans la couche épitaxiale 14, pour constituer mie région 18' de type P, au-dessus de la région 16' de type F, avec une jonction PF 20' les séparant, comme l'illustre la figure 8. Cette diffusion s'effectue à une .température et pendant une durée telle qu'il y aura 30 diffusion du dopant de type P conformément à la relation précédemment établie, jusqu'à une profondeur comprise entre 3 et 8 microns,■ à partir de la surface du substrat 12*. Par exemple, avec une concentration un porteur de charges du dopant de type P, du bore, 17 —3 dans la région 24s d'environ 4 x tO cm et une concentration en 35 porteras de charges couche épitaxiale de silicium^ de type F, 14-3 d'environ 9x10 cm , et avec une diffusion à une température de U50°C pendant environ 2 heures,, il y aura. diffusion du dopant 70 14053 7 2046700 de type P sur environ 4 microns saris "la couche épitaxiale 14". Comme dans le procédé précédemment décrit, le chauffage du dispositif provoque également une autre diffusion entre le substrat 12' de type U+ et la couche épitaxiale de type ¥ 14', afin de 5 créer une portion de concentration en porteurs de charges adaptée.-entre le substrat et la région de type ÏST. Ainsi, ce procédé produit une diode de Zener 10, dont le profil de concentration est représenté sur la figure 10, et constitue une région de type P diffusée profondément, et présentant plusieurs valeurs de concen-10 tration en porteurs de charge^ une région mince de type H, de concentration ën porteurs de charges uniforme, et une région de type ÎT de concentration en porteurs de charges adaptée au • substrat de type H+. Bien que la région de type P soit de faible profondeur, par comparaison dœ profils de concentration des figures 15 9 et 10, on peut voir que la concentration en porteurs de charges qui varie dans la région de type P, est la même que la variation obtenue par le procédé à diffusion profonde des figures 2 à 4. Ainsi, la diode de Zener obtenue grâce à ce procédé, pourra fonctionner de la même manière que la diode obtenue par le procédé 20 à diffusion profonde. Par ailleurs, la diode de Zener 10 comportant une région de t ype P, diffusée sur une faible profondeur, présente un avantage, par le -fait que l'on est la jonction PïT très proche de la surface de la région de type P.. Ces diodes de Zener sont généralement construites avec le contact de la région 25 de type P montée sur une • source froide.- Puisque la jonction PÏT est plus près de la source froide, en raison de la faible épaisseur de la région .de type P, toute chaleur générée dans la diode, "pourra être facilement dissipée, de manière à obtenir une diode .de fonctionnement, refroidie. 50 Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées selon l'esprit 35 de l'invention. 70 14053 8 2046700 R ? JL5 JL?_ï JLêJLï_2 Jï s 1. Procédé de fabrication d'une diode de Zener de grande puissance, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : formation d'une couche épitaxiale d'au moins 6 microns d'épaisseur, "en un matériau semiconducteur du type ÎT, de concentration en 5 porteurs de ■ chargea faible et relativement uniforme, à la surface d'un substrat en un matériau semiconducteur de type ÎT+ de concentration en porteurs de charge élevée, la création d'une source de matériau dopant, de type P, à la surface de la couche épitaxiale, et la diffusion du matériau dopant de type P, à l'intérieur 10 de la couche épitaxiale, pour constituer une région de type P, formant une jonction PU, avec l'autre région de matériau de type ÎT, cette jonction étant éloignée du substrat d'une ...distance non inférieure à 3 microns, la concentration en. porteuis de charges dans la région de type P, s'accroissant, à partir de la jonction 15 PU" jusqu'à la surface de la couche épitaxiale, conformément à la relation , C=Co erfc X 2 ^Dt où C est la concentration en porteurs de charge de la région de 14-3 15-3 20 type ÏT, comprise entre 7x10 cm et 1x10 cm , Go est la concentration en porteurs de charge de la région de type P, à la surface de la couche épitaxiale, X est la profondeur de diffusion en centimètre^ D est le coefficient de diffusion du matériau dopant de type P, t est la durée de diffusion en secondes, et 25 ! X est compris, entre 1,8 et 3,1. 2. Procédé de fabrication d'une diode de Zener de grande puissance selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la 30 couche épitaxiale formée sur le substrat, est d'environ 20 microns d'épaisseur, la source de dopant de type P à la surface de la couche épitaxiale ayant une concentration en porteurs de charges 19-3 20 comprise entre 10 cm , et 10 cm-3 ; et en ce que le dopant de est type P,/ diffusé dans la couche épitaxiale sur une distance 35 d'environ 12 microns. 70 14053 9 2046700 3. Procédé de fabrication d'une diode de Zener de grande puissance selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source de dopant de type P, ^So?mée par recouvrement de la couche épitaxiale par une couche de matériau contenant les dopanis de 5 type P. 4. Procédé de fabrication d'une diode de Zener de grande puissance selon la revendication-3, caractérisé en ce que le ■ dopant de type P diffuse dans la couche épitaxiale, à une température d'environ durant environ 15 heures. 10 5' Procédé de fabrication d'une diode de Zener de grande puissance selon la revendication 1,- caractérisé en ce que la couche épitaxiale formée sur le substrat, a environ 10 microns d'épaisseur, la source de dopant de type P à la surface de la couche épitaxiale a une concentration en porteurs de charges 17-3 15 cl ' environ 10 cm , et le dopant de type P diffuse dans la couche épitaxiale sur une distance d'environ 4 microns. 6. Procédé de fabrication d'une diode de Zener de grande puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source dè dopant de type P est constituée par recouvrement de la 20 couche épitaxiale par une couche de matériau contenant le dopant de type P, par diffusion du dopant de type P et dans la couche épitaxiale durant une courte durée, pour constituer une région mince de type P, fortement dopée, à la surface de la couche épitaxiale, puis la suppression de la couche de matériau contenant 25 le dopant de type P. 7. Procédé de fabrication d'une diode de Zener de grande puissance selon la-revendication 6, caractérisée en ce que le dopant de type P, diffuse dans la zone épitaxiale à partir de la source de dopant de type P à une température d'environ 1150°C 30 pendant environ 2 heures.