Brevet FR2024916A1 — publié le 19700904

i L'invention concerne des dispositifs à semi-conducteurs réalisés par implantation d'ions, et leurs procédés de réalisation» Il est connu que divers dispositifs semi-conducteurs à jonc-5 tion ont un comportement électrique amélioré si la jonction est réalisée de manière à être essentiellement plane. Voir par exemple (Bell System Technical Journal. Vol. 47. Ho. 2, pp.195-208 (1968) ) . Les jonctions produites par des traitements classiques, par exemple par alliage ou diffusion, ne sont pas en général des 10 jonctions planes. De plus, la jonction coupe la surface du substrat, ce qui exige une modification des états de surface autour de la jonction par un.nettoyage et une passivation compliqués des régions à nu. On peut obtenir des jonctions planes en utilisant des procédés d'épitaxie et de diffusion de manière à obtenir 15 la structure "mesa" bien connue, mais dans ce cas également la jonction s'étend jusqu'à la surface du substrat. De plus, dans le cas de la structure "mesa", la surface du dispositif n'est pas plane. Ceci limite les possibilités d'application des techniques dites à jonctions planes (planares) pour la réalisation d'élec-20 trodes et pour l'interconnexion de dispositifs multiples en vue de la réalisation de circuits intégrés. Ces difficultés ainsi que d'autres peuvent être surmontées tout au moins en partie par utilisation d'une implantation ionique afin de former une intersurface isolante autour d'une jonction à 25 barrière. La structure obtenue contient une jonction plane qui est isolée des surfaces à découvert du dispositif. L'invention concerne donc un procédé de réalisation d'un dispositif redresseur à semi-conducteur comportant une surface plane et une barrière redresseuss coplanaire masquée, caractérisé 30 par les opérations ci-après : implantation par bombardement ionique d'une région de haute résistivité pénétrant de la surface de la masse du semi-conducteur au-dessous de la barrière redresseuse et englobant une région sensiblement continue délimitant un pourtour autour d*une zone importante 'de la partie coplanaire de 35 1'intersurface redresseuse. L'invention concerne aussi un dispositif redresseur à semi 69 40016 2 2024916 conducteur comportant une surface importante sensiblement plane et une barrière redresseuse placée au-dessous de cette surface et dont la surface supérieure est dans le même plan que celle-ci, les limites de la couche d'arrêt étant délimitées par un anneau 5 de garde isolant partant de la surface et pénétrant à une profondeur dépassant celle de la couche d'arrêt, ledit anneau de garde contenant des ions implantés d'oxygène, d'azote ou de carbone. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée qui va suivre et des 10 dessins sur lesquels, la figure 1 est une vue en perspective avec coupe transversale d'une masse de semi-conducteur comportant une jonction p-it entourée d'un anneau de garde isolant réalisé par le procédé selon l'invention. 15 ïa figure 2 est une vue en perspective avec coupe transver sale d'un dispositif semblable à celui de la figure 1, mais réalisé de manière à permettre l'établissement d'un contact avec la région conductrice sous-jacente. La figure 3 est une représentation schématique d'un appareil 20 • utilisable pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention,. La figure 4 est une vue en perspective d'une'cible échantillon mise en placé dans l'appareil de la figure 3 pour une implantation; et la figure 5 est une coupe transversale d'un dispositif 25 conforme à un mode de réalisation préféré de l'invention» 69 40016 3 2024916 d'implantation doit dépasser la profondeur de la jonction. L'étendue latérale de l'implantation n'est pas déterminante. La structure obtenue est line vraie jonction plane effectivement isolée des surfaces du dispositif. Les électrodes 13 et 14 établissent 5 le contact avec les régions n et p. Une caractéristique peu courante de ce dispositif est l'absence d'une couche superficielle pas-sivant la jonction. La figure 2 représente une structure un peu plus compliquée comportant un anneau de garde multiple réalisé de manière à permet-10 tre l'établissement d'une connexion électrique avec la région "dopée" sous-jacente, à partir de la surface supérieure. Les éléments 10, 11 et 12 sont les mêmes que sur la figure 1, à savoir une diode avec une jonction plane. Un anneau isolant est implanté en 23 et s'étend également jusqu'à une profondeur supérieure à celle de la 15 jonction et peut êtrfe réalisé de la même manière que l'anneau 12, de préférence au cours de la même opération. Une impureté du type n est ensuite implantée sélectivement dans la région entourée par l'anneau 23 jusqu'à une profondeur dépassant celle de la jonction de manière à établir un contact avec la couche n. On peut citer 20 le phosphore et l'arsenic comme exemples de dopants du type n du silicium et du germanium. On peut évidemment inverser les types de conductivité dans les structures représentées. Des connexions électriques 24 et 25 peuvent ensuite être établies avec la surface plane. 25 Les procédés utilisés pour l'implantation de l'anneau de garde isolant sont connus et ne font pas partie de l'invention. Un procédé sera décrit à titre d'exemple en référence à l'appareil de la figure 3. L'appareil d'implantation comprend une source d'ions 30 fournissant des ions appropriés, par exemple d'oxygène ou d'a-30 zote. Les sources d'ions sont décrites plus en détail dans le document "Methods of Expérimental Physies," Vol. 4, Pt. A, pp. 256-283 (1967). Des lentilles électrostatiques ou magnétiques (non représentées) concentrent un faisceau d'ions dans un tube accélérateur 31 qui communique aux ions une énergie prédéterminée. Ce 35 faisceau d'ions traverse un tube de glissement allongé 32 dans lequel règne un vide de l'ordre de 10~^torr, traverse ensuite un aimant ou un électro-aimant 33 séparateur de masse et éliminant du faisceau les ions constituant des impuretés» La direction du 69 40016 4 2024916 faisceau est commandée par un élément 34 déviateur dans deux directions orthogonales (x, y) et dirigeant le faisceau sur une région choisie de la cible 35» Cette cible est représentée en détail sur la figure 4. la 5 masse de semi-conducteur contenant la jonction redresseuse porte la référence 40. Un masque, qui peut être formé par des procédés connus de réserve photographique, est désigné par 41. La région laissée à découvert par le masque permet la formation de l'anneau de garde isolant, par exemple de l'anneau 12 de la figure 1» Le 10 masque 41 doit être suffisamment épais pour empêcher la pénétration du faisceau d'ions dans le silicium sous-jacent. Le substrat représenté est fixé sur un support de cible 35 en une matière stable dans les conditions nécessaires pour la réalisation de l'implantation, par exemple de l'acier inoxydable ou du molybdène. 15 Un procédé de chauffage du substrat pour annuler en perma nence les dommages provoqués par les rayonnements est représenté en 36 sur la figure 3 et on sait qu'il est un accessoire avantageux et souvent nécessaire» Par exemple, pour implanter de l'oxygène dans du silicium, il est avantageux de maintenir le substrat 20 à une température au moins égale à 650°C pendant l'implantation» Le faisceau d'ions doit pénétrer dans le semi-conducteur jusqu'à une profondeur dépassant celle de la jonction. Cette épaisseur peut varier entre quelques centaines d'Angstroms dans le cas d'un dispositif à barrière superficielle à plusieurs microns dans 25 le cas d'un dispositif à jonction p-n diffusée. Les conditions de formation de ces couches peuvent varier considérablement0 Cependant, à titre d'exemple particulier, on peut provoquer la croissance d'une couche de SiÛ2 d'environ un micron d'épaisseur dans le silicium en utilisant une tension à décroissance linéaire de 30 300 à 0 kV avec une irradiation totale correspondant à environ 1 coulomb/cm . On peut ainsi réaliser des zones isolantes pour la région implantée. On peut choisir divers ions pour l'implantation destinée à la formation de l'anneau de garde isolant. Dans le cas des semi-35 conducteurs utilisés le plus souvent (silicium, germanium et semiconducteurs constitués par des combinaisons d'éléments ou "composés intermétalliques" des groupes III et V du tableau périodique) 69 40016 5 2024916 l'oxygène, l'azote, le carbone et des mélanges de ces éléments sont particulièrement appropriés. La résistivité de l'anneau de garde implanté doit être au moins égale à 100 fois la résistivité de la région active du semi-conducteur» 5 La présente invention est applicable à de nombreux types de dispositifs pour lesquels des jonctions planes ou des couches d'arrêt planes sont utiles. Alors que le composant décrit ci-dessus en regard de la figure 1 comprend une jonction p-n entre les couches 10 et 11, on peut utiliser la même disposition géométrique 10 pour former une couche d'arrêt plane Schottky entre une couche de métal 11 et une masse 10 de semi-conducteur. 1,1 intersurface plane de ce dispositif conduit à- une décharge ou un claquage inverse de caractéristiques bien déterminées, et ceci est très important. Un claquage brusque avec une réduction correspondante du courant 15 de fuite (qui se produit par exemple le long des régions non pla-nares de la barrière) permet d'utiliser la diode pour le redressement de grandes puissances et améliore ses caractéristiques de commutation et d'oscillation. Par conséquent, l'expression "couche d'arrêt" utilisée dans le contexte général de "dispositifs à 20 jonction" doit également comprendre les jonctions à barrière superficielle. Une couche d'arrêt selon la présente .invention forme en réalité une région ayant une conduction non conforme à la loi d'ohm entre des matériaux différents. La figure 5 représente une forme de réalisation dans laquelle 25 le procédé d'implantation selon l'invention est appliqué à la formation d'un anneau de garde isolant autour d'une barrière Schottky. On traite dans le cas présent un substrat 50 . de silicium du type n+ comportant une couche 51 de silicium du type n de résistivité voisine de 1 ohm0cm de manière à former une couche 52 de siliciTire 30 métallique et par conséquent une barrière superficielle 53 silici-ure métallique/silicium. Les procédés de.formation d'un silicium métallique sont bien connus, mais on peut décrire succinctement comme suit une réalisation à titre d'exemple : on dépose une couche de métal formateur de siliciure tel que le nickel, le 35 titane, le zirconium, l'hafnium ou un des six métaux du groupe du platine sur le substrat de silicium par évaporation, pulvérisation ou une autre technique appropriée. La couche doit avoir en 69 40016 6 2024916 général une épaisseur comprise entre 300 et 3000À. On chauffe le substrat à une température suffisante pour former le siliciure du métal. Cette température doit en général dépasser 400°C et atteindre par exemple environ 700°C. On peut par exemple vaporiser 5 du zircon'Ium à partir d'une hélice en tungstène ou d'un creuset en carbone portés à 1600°C. Le siliciure se forme facilement à 700°0. Après la formation du siliciTire, on dépose un contact métallique 54 sur une zone choisie de la surface. Ce résultat peut être obtenu, par exemple, en vaporisant une couche de métal tel que 10 11 aluminium, le titane, ou--le zirconium sur la surface de la couche de siliciure 52 et la région dudit contact délimitée par attaque chimique sélective par des procédés photolithographiques classiques. On réalise ensuite, sur la surface de l'ensemble une implantation d'ions oxygène.de la manière'décrite ci-dessus. La 15 profondeur d'implantation est indiquée par la ligne en pointillés 55 de la figure 5. Le dispositif est maintenant constitué par une barrière 53 siliciure-métallique/silicium protégée par un anneau de garde d'oxyde. Le contact métallique sert de masque pendant l'opération d'oxydation par implantation. Si le contact 54. est for-20 mé par un métal à effet de soupape ou filmogène, sa surface s'oxyde également et, par conséquent, devient isolante au cours de l'opérât ion. de réalisation de l'anneau de garde. Dans ce cas l'électrode en forme de fil ou le circuit imprimé doivent être en place avant l'oxydation. Le contact peut être également un conducteur 25 épais à plusieurs couches de type connu, par exemple en platine-titane-or, chrome-or ou analogue. Une des caractéristiques intéressantes des dispositifs Schottky ou à couche d'arrêt superficielle réalisée avec une couche d'arrêt siliciure métallique/silicium est que la jonction se forme au-des-30 sous de la surface du dispositif en évitant ainsi certaines difficultés concernant les états de surface auxquels on s'est heurté lorsqu'on utilisait la surface du substrat comme intersurface de la jonction (par exemple dans les dispositifs métal-oxyde-semiconducteur dits "M0S1*. Cependant, d'après le procédé de la présente 35 invention, l'opération d-'oxydation nécessaire à la formation de l'anneau de garde passive^également toutes les régions à découvert et l'avantage sus-mentionné propre aux barrières siliciTire . 69 40016 7 2024916 métallique/silicium est moins capital. Il devient alors possible d'utiliser des "barrières ordinaires métal/semi-conducteur telles que les barrières aluminium/silicium, palladium/germanium, or/ar-séniure de gallium etc., dans -lesquelles la surface du substrat 5 est essentiellement 1'intersurface formant la barrière» Bien qu'on ait utilisé le mot "anneau" pour décrire la structure isolante selon l'invention, il va de soi que l'invention n'est pas limitée à la forme d'un anneau dans le sens classique mais comprend toute forme utilisable pour atteindre l'objectif de lsin» 10 vention. Il est nécessaire et suffisant que la région isolante entoure ou isole essentiellement une partie de la région plane active. Ce procédé peut être également utilisé pour créer des régions isolantes dans les circuits intégrés sur les ensembles à intégration à grande échelle. 15 II va de soi qué l'invention n'a été décrite qu'à titre ex plicatif et nullement limitatif et qu'elle est susceptible de nombreuses variantes sans sortir de son cadre. 69 40016 8 2024916 REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un dispositif redresseur à semi-conducteur comportant une surface plane et line "barrière redresseuse masquée dont la surface supérieure est dans le même 5 plan que celle-ci, caractérisé par les opérations ci-après : implantation par "bombardement ionique d'une région de résistivité élevée pénétrant de la surface de la masse de semi-conducteur au-dessous de la "barrière redresseuse et entourant une région sensiblement continue en délimitant un pourtour autour d'une fraction 10 importante de la partie coplanaire de la surface redresseuse. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ions implantés sont des ions d'oxygène, d'azote, de carbone ou des mélanges de ceux-ci. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caracté- 15 risé en ce que 1'intetsurface redresseuse est une jonction p-na 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que 1'intersurface redresseuse est une barrière Schottkyc 5.Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le semi-conducteur est du silicium. pn 6. Procédé selon l'une des revendications 1 a 5, caractérisé par les opérations ci-après : implantation par bombardement ionique, dans la surface du semi-conducteur entourée par la région de haute résistivité, de dopants ayant une conductivité du même "type que la région située au-dessous de la couche d'arrêt, de 25 manière à établir un contact électrique avec cette région à partir de la surface du dispositif. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une seconde région de résistivité élevée est implantée à l'intérieur de l'aire définie par le pourtour de la première ré- 30 gion. 8. Dispositif redresseur à semi-conducteur, réalisé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une masse de semi-conducteur comportant une surface principale sensiblement plane et une barrière redresseuse placée au-des- 35 sous de cette surface et dont la surface supérieure est dans le même plan que celle-ci, les limites de la barrière étant formées par un anneau de garde isolant partant de la surface et pénétrant 69 40016 9 2024916 à une profondeur dépassant celle de ladite barrière, ledit anneau de garde étant constitué par des ions implantés choisis dans le groupe comprenant l'oxygène, l'azote et le carbone. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par la 5 présence d'une région du semi-conducteur entourée par un anneau de garde isolant et contenant des impuretés du même type de conduc-tivité que la région située au-dessous de la couche d'arrêt, de manière à réaliser un contact électrique avec cette région à partir de la. surface du dispositif.