Brevet FR2098362A1 — publié le 19720310

L'invention concerne une diode d'accord hypersensible, dans laquelle la caractéristique de la capacité en fonction de la tension d'arrêt appliquée à la diode est optimisée dans des conditions données à l'avance. 5 Les diodes d'accord hypersensibles à forte variation de la capacité présentent des points d'inflexion dans le tracé de la courbe de capacité, en fonction de la tension d'arrêt appliquée. En outre, de telles diodes, qui ont été fabriquées dans les mêmes conditions, présentent de larges 10 écarts de valeurs de leur capacité. La caractéristique capacité-tension hypersensible peut être obtenue par la formation d'une jonction p-n dans une zone à dopage décroissant. A cette fin, on peut partir d'un substrat avec un dopage de l'un des types de con-15 ductivité. Par exemple, il est possible d'utiliser du silicium dopé avec du phosphore. On supposera que le dopage de ce substrat est N„. Dans ce substrat, on introduit par une pre- i3 mière diffusion des substances de dopage qui produisent le même type de conductivité que le substrat possédait déjà 20 auparavant. Il est donc possible d'utiliser par exemple du phosphore pour cette première diffusion. Par une seconde diffusion avec une matière de dopage de l'autre type de conductivité, on produit une jonction p-n dans la zone de dopage décroissant de la première diffusion. Par exemple, il est 25 possible d'utiliser le bore à titre de dopant de l'autre type de conductivité. Les diodes d'accord connues, fabriquées d'après ce procédé, ont les caractéristiques défavorables mentionnées ci-dessus. 30 C'est pourquoi l'un des buts de la présente invention est de fournir des diodes d'accord hypersensibles dans lesquelles ces caractéristiques négatives sont évitées dans toute la mesure du possible par une optimisation des paramètres de construction ou de calcul. 35 Ce but est atteint par le fait qu'un corps semiconducteur à concentration de dopage de base ND de l'un xi des types de conductivité présente un profil de dopage décroissant produit par une première diffusion avec un dopant du premier type de conductivité, que d'autre part il est prévu, 40 dans le corps semiconducteur, une zone fortement dopée de 71 25424 2 2093262 l'autre type de conductivité, produite par une seconde diffusion, de telle façon qu'entre la région du premier type de conductivité et la zone de l'autre type de conductivité, il soit formé une jonction p-n, que pour des valeurs voulues. 5 vt> + v« A = — -- et r = C /C V, + V 1 o le rapport W^/z est choisi de manière que le paramètre a = N^/N présente sa valeur maximale possible, que N z est 12 —2 ° 10 égal au maximum à 2,8^ . 10 cm , et par le fait que la surface de la jonction pn est exécutée avec des dimensions aussi petites que possible, z étant une grandeur caractérisant la chute du profil de dopage et ayant la dimension d'une longueur, V étant la tension d'"offset", A le rapport des tensions 15 appliquées correspondant aux deux tensions et Tj, r le rapport des deux capacités Cet et C2 étant respectivement les capacités de la diode aux tensions et , Wj étant la largeur de charge spatiale qui règne à la tension V^, et Nq étant la concentration de dopage présente, après l'exécution 20 de la première diffusion, au point de la jonction pn ultérieurement formée. L'invention permet d'éviter dans une large mesure les effets indésirables dans la caractéristique capacité-tension. Les écarts de capacité d'une diode à l'autre sont 25 réduits. Par ailleurs, une prévision des possibilités techniques de réalisation cfe conditicns déterminées cocernant le composant est rendue possible. Enfin, des données peuvent être établies de manière simple concernant la valeur de ces paramètres dits de calcul. 30 Selon une caractéristique de l'invention, le paramètre a est égal ou supérieur à 6,1 . 10 Par le choix du paramètre a, on peut parvenir à ce qu'aucun point d'inflexion n'apparaisse dans la courbe de capacité-tension. 35 D'autres caractéristiques et détails de l'invention ressortiront de la description suivante d'un exemple de réalisation donné à titre d'exemple et représenté au dessin annexé. La figure 1 représente le profil de dopage 40 d'une diode. 71 25424 3 2093362 La figure 2 reproduit une courbe de capacité-tension . La figure 3 représente les oscillations des valeurs de capacité. 5 La figure k indique la variation du para mètre a en fonction de W^/z. Les figures 5 et 6 sont des diagrammes permettant de déterminer les meilleurs paramètres de calcul possibles pour des valeurs prédéterminées de A et r. 10 On a représenté sur la figure 1 la varia tion de la concentration de dopage N dans un corps semiconducteur en fonction de la coordonnée locale x. Le substrat semiconducteur présente le dopage N_. Par la première diffusion, 15 il a été produit un domaine à dopage décroissant, dont la \ -W j z 15 variation est donnée par NQ(1-a) e ' . ¥ représente ici la coordonnée de charge spatiale. Par la seconde diffusion, il a été formé une jonction pn abrupte avec un dopage . On supposera que la zone située à gauche de x. sur la figure est fortement dopée p et que la zone située à droite est dopée 20 n. La conséquence en est que lors de l'application d'une tension d'arrêt, la zone de charge spatiale ne s'étend que dans la zone de conductivité n à dopage décroissant résultant de la première diffusion. Pour ce profil de dopage, on peut prendre avec une approximation suffisante une courbe exponentielle : 25 (1) N(W) = N + N ( 1 -a) e"W/Z Dans ces conditions, la coordonnée de charge spatiale W est comptée à partir de la jonction pn x.. La valeur J de (2) a = Nb/No 30 est un paramètre important pour la fabrication de la diode d'accord. N est la concentration de dopage qui est produite o au point x . par la première diffusion, avant que la seconde 3 diffusion ne soit effectuée. La pente du profil de- dopage produit par la seconde diffusion est caractérisée par la grandeur 35 z. Par exemple, pour avec un profil de dopage selon l'équation (1), le dopage varie d'une puissance de dix sur le trajet 2,3 z. Avec une distribution d'impureté selon l'équation (1), on peut théoriquement dériver la relation 2jq suivante entre la tension d'arrêt appliquée V (considérée 71 25424 h 2093362 comme positive dans le sens du blocage) et la largeur de charge spatiale V : (3) fS o (V +Vq) = 1/2 NbW2 + Nq (1-a) z2 (l - (1+V/z) e~W/Z) q avec : 5 = 8,86 . 10 ^ As/Vcm (constante diélectrique absolue), £ étant la constante diélectrique relative de la matière semi- conductrice, laquelle s'élève à 12 pour le silicium, 19 / r > \ q = 1,6 . 10 Asec (charge élémentaire électrique), Vq est la tension d'"offset" et peut être tirée du périodique 10 "Journal of Applied Physics", vol. 38, n° 5» pp. 21^8-2153. En première approximation, on a V = 0,9 volt + 0,12 volt log^N /1017. o 1 0 o Etant donné que la largeur de charge spatiale ¥ est liée à la capacité C par la relation .5 (4) C AÉLl. W où F est la surface de la jonction pn, le rapport entre la capacité C et la tension V est également donnée par l'équation (3) pour une surface F connue. Une mesure de capacité en fonc-20 tion de la tension est possible expérimentalement, si bien que l'équation (3) peut être vérifiée. On a représenté sur la figure 2 le résultat d'essai sur un exemple. La courbe tracée représente la courbe de capacité-tension relevée expérimentalement, tandis que les 25 croix correspondent aux valeurs calculées selon l'équation (3). Les écarts sont inférieurs à 10%, de sorte que l'image théorique reproduit bien, avec la répartition de dopage considérée, les données effectives dans le composant fini. On peut en conclure que l'équation (3) peut être utilisée comme base pour 30 d'autres considérations concernant la détermination optimale des paramètres de calcul de la diode d'accord. On peut démontrer qu'en cas de choix du _ O paramètre a ^ 6,1 . 10 , aucune fonction capacité-tension décroissant de façon monotone ne peut jamais être obtenue et 35 qu'il apparaît plutôt deux points d'inflexion dans cette courbe. Comme on l'a déjà mentionné, ces points d'inflexion sont nuisibles dans le composant fini. C'est pourquoi on visera une valeur a^6,1.10^. On peut par ailleurs démontrer que des kO écarts ANq, inévitables à la fabrication, de la valeur de 71 25424 5 2098362 concentration Nq donnent lieu à des écarts de la capacité d'autant plus grands que la valeur de a est plus petite. A ce propos, le facteur F^ de l'équation la) Ac A V A No 1 - (1+V/z) e*v/z 5 —5 « - y = F - aec F (v/z) = 5 ife C V 1 No 1 (w/z) (a+( 1-a)e~^ ) a été représenté sur la figure 3 avec a comme paramètre par rapport à la coordonnée de charge spatiale normalisée W/z. Pour -1 -2 —3 a, on a choisi ici les valeurs 10 ,10 ,5. 10. 10 Pour éviter des points d'inflexion et pour réduire dans toute la mesure du possible les écarts de capacité, il convient de choisir, comme il résulte également de la figure 3» une valeur aussi grande que possible pour a. Il y a lieu maintenant d'examiner quelle 15 est la valeur maximale qui est possible en général pour a, lorsque les exigences suivantes, ordinairement imposées au composant, doivent être satisfaites. Entre les valeurs de tension et V^, le rapport des capacités doit s'élever à 20 C (b) r = —- = C /C = V /V C (v2) Dans l'équation (3)» on introduit une fois la paire de valeurs et une fois la pare de valeurs V2, W2 = r . Wj et les deux équations ainsi obtenues sont divi-25 sées l'une par l'autre. On a : (5) v2 ♦ vo ~hr 2 * f = A s V1 + 1/o * o 1/2 X . -P ( -y- ^ 1-a X1 + f 30 ou, pour abréger, on a utilisé : (5a) x1 = W1/z (5b) f (x.| ) = I - (1 + x.j) . e" x1. A désigne de nouveau le rapport des tensions appliquées. L'équation (5) peut être résolue en a/(l-a), ce qui donne 35 (6) a/(1-a) = (2/(r2-A)) A f(x1) - f(r xt) 2 X1 Pour des valeurs prédéterminées de r et A, l'équation (6) fournit une relation entre a et x]t Cette relation est représentée sur la figure 4 pour deux paires de valeurs r, A. Ces paires de valeurs sont : kO A = 6,8 ; r = 15 et A = 4,7 i r = 15. 71 25424 6 2098362 Ces courbes, et évidemment aussi celles qui se rapportent à d'autres paires de valeurs r, A, présentent un maximum. Le paramètre x^ doit être choisi, lors de la fabrication de ladiode, de façon qu'il corresponde à la valeur maximale de a pour la courbe concernée. Si la paire de valeurs associée au maximum est désignée par a^ et il résulte, à partir de l'équation (3)» du fait qu'à x^ correspond la 1 • (V1 + V0) ° 10 (7) NoZ2 = ^ ^ ^ \ -F t y, \ = K tension V, 1/2 a xT 2~+ (1-a ) f (x J" 7 m 1m v m' v 1nr 2 la valeur numérique fixe K pour le produit Nqz . Avec la diode volue, ce produit a donc la valeur fixe K. Malgré cela, Nq et z eux-mêmes ne peuvent pas être choisis librement, puisque les valeurs absolues de N et de z déterminent la tension d'arrêt o 15 de la diode. D'après IEEE "Transactions on Electron Devices", vol. 10, n° 1, janvier 1963» PP. 44-51, le produit doit être : (8) Nqz ^2,84 . 1012 pour 0,1^ ^_z si l'on veut être assuré que la tension d'arrêt est suffisamment élevée pour que le profil de dopage hyperabrupt puisse 20 être complètement compris dans la zone de charge spatiale. Si l'on combine les équations (8) et (7)» il en résulte, en tant qu'exigence minimale rm^n pour z : fn\ z > z . = K 19) r=- mm 2,84 . tO12 25 Etant donné qu'il n'y a plus que = V^/z à pouvoir être choisi librement, on peut choisir à volonté z au-dessus de la valeur zm^n» Mais la valeur de W1 s'élève quand z augmente. Avec l'élévation de , la surface nécessaire de la jonction pn de la diode augmente d'après l'équation (4). Il 30 faut chercher à ne pas rendre cette surface inutilement grande. C'est pourquoi il convient de choisir z avec un certain facteur de sécurité au—dessus de z . , c'est-à-dire par exemple mm z = 1 ,5 z . . mm Le choix d'une valeur de z aussi petite que 35 possible et, en conséquence, d'après l'équation (8), d'une valeur de Nq aussi grande que possible et, d'après l'équation (2), d'un dopage de base = afflNo aussi grand que possible, va également très à 1'encontre de l'exigence de l'obtention d'une grande qualité (ou d'une faible résistance série) de la diode de 40 capacité. 71 25424 7 2098362 10 De la détermination de z résulte, d'après l'équation (7)» la valeur Nq et, par suite, d'après l'équation (2), N„ = a N , la concentration de base de la substance de x ' ' B m o départ. De la valeur X|m également connue résulte, d'après l'équation (5a), la largeur de charge spatiale = x1min*Z" On en tire alors, pour une capacité voulue , à partir de l'équation (4), la surface nécessaire de la diode ; C1W1 C1 X1mS (10) F = ££o €fo Ainsi sont déterminés les paramètres pour le calcul de la diode d'accord. On peut atteindre une qualité élevée de la diode si celle-ci est formée de plaquettes épitaxirvîe#. Pour l'épaisseur de ^ de la couche épitaxiale et un dopage >g, on a la condition suivante : (c) d . ^ x . + ¥0 = x . + r . . v ' epi si j 2 j 1 l'invention est ci-après expliquée de façon plus détaillée à propos d'un exemple numérique. On supposera qu'on cherche à obtenir une 20 diode d'accord avec un rapport de capacités r = 15 entre = 1 volt et = 12 volts. On a alors, en première approximation, V =0,9 volt et A = 6,S, Avec ces valeurs, il résulte de la 0 -3 figure 4 : a =8,3 • 10 pour x, = 1,31. Pour V. = 1 volt, m 1 ni 1 25 il résulte alors des équations (5a, 5b, 7) la valeur suivante pour K : (d) K = Nqz2 = 3,31 . 107 cm-1. Si ce résultat est introduit dans l'équation (9), on a : 3' (e) z . = 0, 1 17 UA x ' min ' X*1 On choisit pour z, en introduisant une marge de sécurité, z = 0,176^^ Il en résulte : N = K/z2 = 1,07 . 10^7 cm"^. 0 14 —3 On peut ainsi déterminer N„ : N„ = a X =8,9 . 10 cm . B B m o 35 Pour la largeur ue charge spatiale, on obtient, au moyen de l'équation (5a), ¥j = x1mz = 0,231^#. Pour la capacité exigée = 160 pF, il résulte de l'équation (10) : (f) F = 34,8 . 10~4 cm2. 40 Après avoir déterminé ces données initiales, 71 25424 8 2090362 la fabrication de la diode d'accord est possible : Dans un substrat de silicium de dopage 1 k ,3 N„ = 8,9 • 10 atomes de phosphore/cm , on produit, par une D première diffusion, un profil de dopage décroissant selon 5 1*équation (1) (g) N(w) = 8,9 . 1014 + 1,07 . 1017 (1 - 8,3 • 10~3) e"V/°'176 Par une seconde diffusion au bore, on forme une zone fortement dopée p, de telle maniée que le profil de dopage représente sur la figure 1 soit obtenu avec les valeurs données de N , Nn o ri 10 et z. La diode d'accord selon l'invention ne présënte aucun point d'inflexion, étant donné que la valeur — 3 — 3 de a = 8,3 . 10 est supérieure à 6,1 . 10 . Par ailleurs, les écarts des propriétés électriques de différentes diodes 15 fabriqués selon la même technique sont faibles. On a encore reproduit sur les figures 5 et 6 des diagrammes qui permettent une détermination rapide de am et x^m pour des valeurs prédéterminées de A et de r, lorsque r est supérieur à 10. Par exemple, on tire de la figure 5 les 20 valeurs suivantes dans la mesure où a = 8,3 . 10~3 : A = 6.8 m et r = 15. On a indiqué par une ligne interrompue la valeur _ O de a = 6,1 . 10 , au-dessus de laquelle il est possible d'éviter des points d'inflexion dans la courbe capacité-tension de la diode. Il résulte de la figure 6 la valeur x, = 1,31 dans le 1m ' 25 cas choisi comme exemple. 1 25424 9 2098362 REVENDICATIONS 1. Diode d'accord hypersensible, dans laquelle la caractéristique de capacité en fonction de la tension d'arrêt appliquée à la diode dans des conditions prescrites est optimisée, caractérisée par le fait qu'un corps semiconducteur à concentration de dopage de base de l'un des types de conductivité présente un profil de dopage décroissant produit par une première diffusion avec un dopant du premier type de conductivité, que d'autre part il est prévu, dans le corps semiconducteur, une zone fortement dopée de l'autre type de conductivité, produite par une seconde diffusion, de telle sorte qu'entre la région du premier type de conductivité et la zone de l'autre type de conductivité, il est formé une jonction p-n, que pour les valeurs voulues V + V A - et r = C../C VI + Vo le rapport V^/z est choisi de manière que le paramètre a = N-o/N présente sa valeur maximale possible, que N z est , t 12 —2 ° égal au maximum à 2,84 . 10 cm , et que la surface de la jonction pn est exécutée avec des dimensions aussi petites que possible, z étant une grandeur caractérisant la chute du profil de dopage et ayant la dimension d'une longueur, V étant la tension d'"offset" , A étant le rapport des tensions appliquées correspondant aux deux tensions et Vj, r étant le rapport des deux capacités et.C^ et C2 étant respectivement le3 capacités de la diode aux tensions et V^, étant la largeur de charge spatiale qui règne à la tension V1 et N étant la i o concentraction de dopage présente, après l'exécution de la première diffusion, au point de la jonction pn ultérieurement formée. 2. Diode d'accord selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le paramètre a est égal ou supérieur à 6,1 . 10"3. 3. Diode d'accord selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait qu'on utilise le phosphore à titre de dopant du premier type de conductivité. 4. Diode d'accord selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée par le fait qu'on utilise le bore à titre de dopant de l'autre type de conductivité. 5. Diode d'accord selon l'une des revendica— 1 25424 10 2098362 tions 1, 2, 3 ou 4, caractérisée par le fait qu''lie est incorporée dans une couche épitaxiale. 6. Diode d'accord selon la revendication 5» caractérisée par le fait que l'épaisseur de la couche épita-xiale est au moins égale à la somme de l'épaisseur de la zone de l'autre type de conductivité et de la largeur de charge spatiale pour la tension d'arrêt maximale voulue, appliquée à la diode.