Brevet FR2058385A1 — publié le 19710528

La présente invention concerne des diodes à sewiconducteurs du type à jonction de barrière de surface. Une barrière de Schottky est une jonction mètsl-semioenduteur redresseuse qui ne provoque pas d'inversion de polarité du semiconducteur à la jonction. Des diodes à barrière de surface utilisant lDeffet Schottky basé su les caractéristiques de redressement présentées par une jonction métal semiconducteur sont bien connues. En général les caractéristiques électriques de ces dipodes dépendent de la fonction de travail du métal ainsi que de l'affinit pour les électrons du matériau semiconducteur.La réponse en haute fréquence d'une diode à barrière de Sohottky est bien connue, et résulte du fait que le phénomène de conduction qui se produit sans polarisation est causé principalement par les porteurs majoritaires s'écoulant du semiconducteur dans le métal. En conséquence, l'effet de limitation de fréquence d'un emmagasinage de porteurs minoritaires est réduit. Cette réponse en haute fréquence rend particulièrement souhaitable l'utilisation de diodes à barrière de Schottky dans des sources d'alimentation redressées de haute fréquence, dans des circuits de mémoire et des circuits logiques à haute vitesse, et dans d'autres circuits tels que ceux concernant les applications d'hyperfréquences. Cependant, de telles diodes ont un courant de fuite très important et une tension de claquage très faible lors de l'inversion de polarisation.A cause da cette caractéristique d'inversion faible, les diodes de Schottky n'ont pas été prises en considération pour des applications de puissance ainsi que pour beaucoup d'autres applications. Quand une diode de Schottky classique se composant d'une couche de métal actif en contact intime avec le dispositif semiconducteur est sousmise soit à une polarisation directe, soit à une polarisation inverse, une couche d'ap pauvrissement se forme sous la jonction. Cette couche d'appauvrissement est acceptable pour une polarisation directe et ne gêne pas le fonctionnement. Cependant, elle présente un problème sérieux pour une polarisation inverse. Le faible potentiel de claquage d'une diode à barrière de Schottky- classique est provoqué par l'effet de bord lorsque le champ de la couche dáppauvrisse- ment subit une courbure aigue qui donne naissance à un courant de fuite excessif. Ce courant de fuite à la limite d'un champ défini par un rayon aigu est bien connu. Des structure d'anneaux de garde ont été proposées pour améliorer les caractéristiques tension-courant d'inversion d'une dipode de Schottky classique. Un anneau de garde est une région diffusée annulaire étroite dzimpûreté de type opposé située sous la périphérie de la zône limite entre le semiconducteur et le métal d'une diode de Schottky. L'anneau de garde a pour effet d'atténuer le champ électrique de la couche d'appauvrissement, ce qui augmente effecti vannent le rayon de courbure du champ. Ceci améliore de manière significative les caractéristiques courant-tension inverse. Cependant, ceci place une jonction PN en parallèle avec la diode ce qui augmente de manière significative le temps d'emmagasinage ainsi que le "bruit". réduisant de ce fait la réponse an fréquence.La structure d'anneau de garde réalise un compromis par lequel la réponse en fréquence est négociée contre une tension de claquage inverse plus élevée. I1 a également été proposé de placer la zone limite entre le métal et le semiconducteur d'une diode à barrière de Schottky sur une surface ou logement hémisphérique gravée dans la pastille du semiconducteur. Cette solution évite également des rebords aigus sur le champ résultant, ce qui améliore les caractéristiques de tension de claquage inverse. Cependant, une telle structure est difficile à mettre en applicatlon dans une technologie planaire microminiaturisée et elle est principalement limitée à des dispositifs relativement importants. Un objet de cette invention est de réaliser une diode à barrière de surface améliorée ayant une caractéristique de tension de claquage inverse élevée, qui garde cependant une réponse en fréquence élevée. Un autre objet de cette invention est de fournir un procédé pour produire une diode à barrière de surface améliorée ayant une caractéristique de tension de claquage inverse élevée et une réponse en fréquence élevée. Un autre objet de cette invention est de fournir un procédé de réalisation d'une diode à barrière de surface améliorée dont les étapes soient compatibles avec la technologie planaire moderne. Un autre objet de cette invention est une diode à barrière de surface améliorée ayant des caractéristiques courant-tension intéressantes. La diode à barrière de surface de l'invention a un corps semiconducteur monocristallin, une.partie en protubérance sur ledit corps en relation au moins avec la surface entourant la partie, une couche de métal de barrière faible sur la surface supérisure de la couche protectrice en contact intime avec le corps, une couche de matériau isolant sur la surface du corps, et des contacts électriques sur la couche de métal de barrière faible, et le corps semiconducteur. Le procédé de l'invention comprend les étapes de formation d'une couche de matériau isolant à la surface d'un corps semiconducteur polycristallin ou monocristallin, la formation sur la surface du corps d'une protubérance de matériau semiconducteur monocristallin. la déposition d'une couche de métal de barrière faible sur la surface supérieure de la protubérance en contact intime avec le matériau semiconducteur établissant ainsi une diode à jonction semiconducteur-métal et établissant des contacts pour le métal de barrière faible et le corps semiconducteur monocristallin. D'autres objets caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit. fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 est une série de vues en élévation en section transversale représentant une réalisation spécifique préférée du procédé dy l'invention. La figure 2 est une autre série de vues en élévation en coupe représentant une autre réalisation préférée du procédé de l'invention. La figure 3 est une vue en élévation en coupe représentant une réalisation préférée de la diode à barrière de surface améliorée de l'invention et comprenant des contacts. La figure 4 est une autre vue en coupe en élévation représentant la diode à barrière de surface améliorée produite grâce au procédé représenté dans la figure 2. La figure 5 est un tracé de caractéristiques courant-tension comparant les résultats d'une diode à barrière de surface classique à ceux d'une diode à barrière de surface de l'invention. La figure 3 représente une première réalisation de la structure de la diode à barrière de surface améliorée, laquelle structure est entièrement compatible avec les techniques de fabrication de circuits intégrés microminiaturisés actuelles. La diode 10 repose sur une pastille 12 faite de préférence d'un matériau de résistivité élevée, de préférence dopé avec une impureté du type p. Une sous région de conductivité élevée 14 est réalisée dans la pastille 12 par des techniques d'implantation ionique ou de diffusion classiques, laquelle sous région diffuse vers le haut dans une couche épitaxiale de haute résistivité 16 sur la pastille 12.Une couche isolante appropriée 18, qui est en pratique faite de dioxyde de silicium, d'oxyde d'aluminium, de nitriure de silicium, ou d'une couche composite d'oxyde de silicium avec une couche supérieure de nitrure de silicium, est formée sur la couche épitaxiale 16. Les ouvertures 20 et 21 sont formées dans la couche 18 par des techniques de gravure classiques. La barrière de surface 23 est placée entre une couche épitexiale 24, de préférence faite d'un matériau de hauts résistivité qui soit déposé par croissance épitaxiale dans l'ouverture 20, et une patte 26 d'un métal de barrière pour un matériau semiconducteur du type n qui est en principe de l'or, du molybdène, du chrome, du nickel, du titane, du tungstène, du palladium, du siliciure de platine, etc... Quand le corps est un matériau semiconducteur de type p, un métal ayant une fonction de trevail faible peut etre utilisé pour la diode, tel le barium, le magnésium, etc.. La patte 26 comprend un premier contact pour la diode 10. Le deuxième terminal est une patte métallique 28 qui est en contact ohmique avec la couche épitaxiale sous-jacente de base, de préférence à travers une région de conductivité élevée 30 qui spétend vers le bas jusqu a la région 14. Cette structure est entièrement compatible avec la technologie planaire des circuits intégrés microminiaturisés planaires. Dans la figure 1 est représentée la première étape, suivant une réalisation spécifique préférée, de la méthode de production de la diode à barrière de surface améliorée de l'invention. Une couche de matériau isolant 18 est soit déposée, soit réalisée par croissance thermique sur le corps semiconduc teur 34. La couche 18 peut etre faite de n'importe quel type approprié de matériau isolant comme par exemple l'oxyde de silicium, le nitriure de silicium, et similaires. Le corps semiconducteur 34 peut être de n'importe quel matériau semiconducteur du type approprié comme par exemple le silicium, le germanium, l'arséniure de gallium, et similaires. Le corps 34 est de préférence, mais non nécessairement, une pastille de conductivité faible, dopée avec une impûreté d'un premier type.La résistivité du corps semiconducteur 34 située sous l'ouverture 20 et est de préférence de l'ordre de 0,002 à 0,0001 ohmcentimètre. Une couche épitaxiale 24 d'un matériau semiconducteur est alors déposée par croissance dans l'ouverture 20 comme indiqué à l'étape 2. La couche 24 a de préférence quelques microns d'épaisseur et a une résistivité relativement élevée de préférence de l'ordre de 2 à 0,2 ohm-om. La couche 24 de matériau semiconducteur épitaxial peut étre déposée à l'aide de n'importe quelle technique appropriée. Par exemple, le silicium de haute résistivité peut être obtenue par croissance et il sera monocristallin dans l'ouverture 20 et polycristallin sur la surface de la couche 18.Le matériau polycristallin peut être éliminé sur l'oxyde par des techniques photolithographiques classiques suivies d'un décapage préférentiel. Comme cela est clairement montré dans la figure 1, la couche 24 comprend une protubérance du matériau semiconducteur monocristallin. La hauteur de la couche 24 est déterminée par la tension à appliquer à la diode fondamentale, plus la tension à appliquer est grande, plus l'épaisseur de la couche d'appauvrissement qui est formée est importante. La couche 24 devrait être au moins aussi épaisse que la couche d'appauvrissement. En général, une épaisseur de l'ordre de 0,5 microns à 2 microns de silicium est nécessaire pour des tensions de l'ordre de 10 à 150 volts respectivement. De manière classique, une couche de 1 micron peut résister à l'application d'une tension de 50 V sans claquage.De préférence, l'épaisseur de la couche 18 sera de 2 microns. La surface de la couche 24 est déterminée par la capacité de transport du courant de diode. En général -4 2 2 la surface sera de l'ordre de 6,25 10 mm à 1,16 mm pour une capacité de transport de courant de l'ordre de 1 mA à 50 ampères respectivement. La patte 26 d'un métal de barrière est alors déposée par les techniques de déposition par pulvérisation ou évaporation appropriées. Le métal de la patte 26 peut être n'importe quel métal de barrière appropriée, comme par exemple, l'or, le molybdène, le chrome, le nickel, le titane, le tungstène, le siliciure de platine, etc ou des mélanges de ces corps. Si on le souhaite. la patte peut être faite d'une combinaison de métaux suivant une structure laminaire.La configuration de la patte 26 peut être donnée soit en évaporant un métal sur toute la surface du dispositif et en décapant ensuite la partie non désirée, soit en le déposant à travers un masque. Comme cela sera évident pour l'homme de l'art, la patte 26 peut être combinée dans un circuit utilisant une métallurgie unique ou à plusieurs niveaux ou peut être connectée à un contact comme par exemple une patte de soudure ou similaire. Dans la figure 4 est décrite une autre réalisation spécifique préférée du dispositif 40 de l'invention. Le dispositif 40 comprend de préférence une pastille 12, une couche épitaxiale 16, une sous région 14 de conductivité élevée, et une couche isolante recouvrant 18 généralement similaire à celle décrite dans la figure 3. Le dispositif 40 comprend un socle 42 formé généralement en changeant la nature du matériau semiconducteur entourant le dispositif. Les contacts 26 et 28 sont réalisées pour être incorporées de manière appropriée dans un dispositif à circuit intégré ou pour être connectés à un substrat de celui-ci. Dans la diode 40. et également dans la diode 10, de la figure 3, la région d'appauvrissement est entourée d'une couche isolante sur tous ses côtés. Le champ résultant dans le dispositif semiconducteur au-dessous de la jonction de la diode barrière est pratiquement plan.Ainsi, des tensions de claquage plus élevées peuvent être obtenues sans réduction de la réponse en fréquence. La figure 2 représente un procédé qui donnera une diode à barrière de surface ayant la structure générale représentée dans la figure 4. Un corps semiconducteur est préparé qui comprend de préférence une couche épitaxiale de type n faite d'un matériau conducteur de résistivité élevée déposé sur un substrat hautement dopé n+ 54. Ce type de corps semiconducteur 50 est préférable lorsque l'on produit des dispositifs discrets. Cependant, on comprendra qu'un corps semiconducteur du type de celui représenté dans la figure 4, se composant d'une pastille 12 ayant une sous région 14 faite d'un premier matériau semiconducteur dopé de résistivité élevée avec une couche épitaxiale 16 du type opposé déposée dessus, peut être utilisée. Comme représenté dans l'étape 2, une couche isolante est alors déposée sur le corps 50.La couche isolante est de préférence une couche composite se composant d'une première couche 56 de nitrure de silicium recouverte d'une couche d'oxyde de silicium 58. En utilisant des techniques photolotographiques clessiques,-on fo-rme une ouverture 59 dans la couche 58. Le nitrure de silicium exposé dans l'ouverture 59 est alors décapé en utilisant de préférence de l'acide phosphorique bouillant. La structure résultante est représentée dans l'étape 3 dans laquelle la partie 60 de la couche 56 est placée au-dessus de la surface qui deviendra enfin la jonction de la diode à barrière de surface.Comme représenté dans l'étape 4 un cycle d'oxydation thermique est alors réalisé dans lequel la surface exposée d'une couche de silicium monocristallin 52 est oxydé pour former un revetement 62 de dioxyde de silicium. Ceci se traduit par une protubérance 42 de matériau semiconducteur monocristallin. Au lieu d'employer le procédé d'oxydation, on peut également transformer la partie servant de masque 60 entourant la région en une couche isolante en bombardant avec de l'oxygène ou de l'azote et en chauffent pour faire réagir les ions implantés avec le semiconducteur, La valeur de l'augmentation d'épaisseur est commandée par le cycle d'oxydation. Une épaisseur de 1000A d'oxyde produit approximativement une augmentation de 450A dans la couche 52.La hauteur de la protubérance 42 est régit par les mêmes considérations que celles traitées antérieurement relativement au dispositif de la figure 3. La couche de nitrure de silicium, en particulier la portion 60 recouvrant la diode finale à barrière de surface est alors enlevée par décapage par inmerslon dans de l'acide phosphorique bouillant. La structure résultante est représentée dans l'étape 5. Une couche de métal de barrière est alors déposée par évaporation ou pulvérisation sur la pastille et l'excédent est enlevé par des techniques photolithographiques classiques suivies d'un décapage Ceci donne une patte 26 de diode à barrière de surface communément connue sous le nom de diode à barrière de Schottky Le contact ohmique pour-le corps semiconducteur sortie en dessous est obtenu par les techniques classiques. bas différents dispositifs ainsi produits peuvent être isolés des autres dispositifs associés sur le bloc per des techniques d'isolement ou similaires.Ceci étant classique dans l'art aucune description n'en sera faite La figure 5 représente des caractéristiques courant-tension dans lesquelles la courbe 70 représente la caractéristique de polarisation inverse de la diode à barrière de surface améliorée produite conformément aux enseignements de cette invention La courbe 72 représente une diode à barrière de surface classique dans laquelle l'interface semiconducteur-métal est dans le même plan que la surface supérieure du corps semiconducteur et dans laquelle est produit un champ ayant une courbure algue se traduisant par des caractéristiques de polarisation inverses atténuées. Les portions restantes des courbes 70 et 72 sont pratiquement les mêmes pour une polarisation directe. Sien que l'on eit décrit dans ce qui précède et représenté sur le dessin, les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à des modes de réalisation préférés de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles sans pour autant sortir du cadre de ladite invention REVENDICATIONS 1.- Procédé pour former une diode à barrière de surface caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: formation d'une couche de matériau isolant sur la surface d'un corps semiconducteur, formation sur la surface de ce corps d'une protubérance de matériau semiconducteur monocristallin, déposition d'une couche de métal de barrière sur la surface supérieure de la protubérance en contact intime avec le matériau semiconducteur établissant ainsi une diode à jonction métal-semiconducteur et établissement d'un contact ohmique avec le semiconducteur. 2.- Procédé selon la revendicaon 1 caractérisé en outre en ce que la protubérance est formée par la réalisation d'une ouverture dans la couche de matériau isolant, exposant la surface du matériau semiconducteur sous-jacent, et la déposition d'une couche épitaxiale de matériau semiconducteur sur la surface exposée. 3.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en outre en ce que la pro tubérance est réalisée par la formation d'une ouverture dans la couche de matériau isolant, qui entoure une partie de cette couche recouvrant la protubérance finale, et l'oxydation thermique du matériau semiconducteur exposé. 4.- Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que le corps semiconducteur comprend une région interne de faible résistivité, l'ouverture dans la couche de matériau isolant étant située au-dessus d'au moins une partie de cette région interne. 5.- Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'établissement du contact ohmique comprend: la formation d'une seconde ouverture dans la couche isolante espacée de l'ouverture mentionnée en premier et située au-dessus de le région interne, l'introduction d'une impûreté à travers la seconde ouverture formant ainsi une région à faible résistivité s'étendant de la surface du corps à la région interne. 6.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le protubérance est réalise par la formation d'une ouverture dans la couche de matériau isolant qui entoure une partie de cette couche recouvrant la protubérance finale, le bombardement de la surface exposée du corps semiconducteur avec des ions choisis dans le groupe comprenant lpoxygène et l'azote et le chauffage du corps pour faire réagir les ions implantés avec le matériau du corps semiconducteur. 7.- Diode à barrière de surface caractérisée en ce. qu'elle comprend: un corps semiconducteur monocristallin, une protubérance sur ledit corps, une couche de métal à faible barrière sur la surface supérieure de la protubérance en contact intime avec ledit corps, une couche de matériau isolant sur ledit corps, un contact électrique avec la couche de métal à faible barrière. 8.- Diode ou son procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 ou ou 7 4/caractérisé en ce que le métal de barrière est un métal choisi dans le groupe comprenant l'or, le molybdène, le chrome. le nickel, le palladium, le tungstène, le titane, le siliciure de platine et des mélanges de ces corps. 9.- Diode ou son procédé de fabrication selon l'une des revendications 5 ou 8, caractérisé en ce que le corps est une pastille monocristalline de silicium dopée avec un premier type d'impûreté et recouverte d'une couche épitaxiale de haute résistivité dopée avec une seconde impûreté de type opposé. 10.- Diode ou son procédé de fabrication suivant l'une des revendications 3 ou 8 caractérisé en ce que le matériau du corps semiconducteur est du silicium. 11.- Diode ou son procédé de fabrication suivant la revendication 10 caractérisé en ce que la couche de matériau isolant est de l'oxyde de silicium. 12.- Diode ou son procédé de fabrication suivant l'une des revendications 3 ou 7 caractérisé en ce que la couche de matériau isolant est une couche composite de Si3N4 et d'une couche de Si02 la recouvrant. 13.- Diode suivant la revendication 8 caractérisée en ce que la protubérance est une couche épitaxiale de matériau semiconducteur. 14.- Diode suivant la revendication 7 caractérisée en ce que la protubérance a une hauteur de 5000 à 20000 angstroms. 15B- Diode suivant la revendication 7 caractérisée en ce que la protubérance est définie par un enfoncement l'entourant dans le corps semiconducteur. - 15X- Diode suivant la revendication 7 caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une région interne de faible résistivité située en-dessous d'au moins une partie de la protubérance.