Brevet FR2091940A1 — publié le 19710121

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une jonction p-n entre une plaquette de semi-conducteur cristallin et une petite pastille de métal, et plus particulièrement une jonction p-n caractérisée par un courant de fuite peu important. Parmi les procédés de fabrication d'une jonction telle qu 'u- ne jonction p-n ou analogue, on contact un procédé par alliage. Dans ce procédé, on place une petite pastille de métal sur une plaquette de semi-conducteur cristallin, par exemple de type p, et on la chauffe à une température élevée. La pastille métallique comprend un matériau actif, par exemple un matériau donneur. Au cours du chauffage, la pastille métallique attaque la plaquette de semiconducteur cristallin sur la surface de contact. Par refroidissement, la partie attaquée précipite pour donner une couche de semiconducteur de type n. I1 se forme ainsi une jonction p-n entre la plaquette de semi-conducteur cristallin et la couche précipitée. Il est difficile, dans ce procédé, de commander la forme de la surface de contact. Dans un procédé classique, la pastille métallique est toujours placée au-dessus de la plaquette de semi-conducteur cristallin. La forme de la surface de contact a tendance à varier avec l'état de surface de la plaquette et la mouillabilité de la plaquette par la pastille métallique. Ces variations entrassent des difficultés dans le contrôle du courant de fuite des jonctions formées. Un des principaux objets de la présente invention est donc de fournir un procédé d'alliage permettant de contrôler la forme de la surface de contact entre une pastille métallique et une plaquette de semi-conducteur cristallin. Un autre objet de l'invention est de fournir un procédé d'alliage permettant de contrôler le courant de fuite dans la jonction résultante. Ces objets ainsi que d'autres, apparattront dans la description détaillée qui suit et qui est donnée en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels La figure 1 représente une vue en coupe d'une plaquette de semi-conducteur cristallin à laquelle adhère une pastille métallique La figure 2 est une vue en coupe d'une plaquette de semiconducteur cristallin selon la figure 1, tournée vers le bas au cours d'une phase de chauffage La figure 5 est une vue en coupe d'une plaquette de semi-con ducteur cristallin selon la figure 2 au cours d'une phase de refroidissement ; et La figure 4 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une diode au silicium à jonction hyperabrupte préparée par un procédé selon la présente invention. Un procédé selon la présente invention comporte une phase de chauffage de la plaquette de semi-conducteur cristallin sur la surface supérieure de laquelle est placée une pastille métallique qui fond et adhère à la surface de la plaquette, une phase au cours de laquelle on retourne la plaquette de bas en haut de façon que la pastille métallique qui a adhéré à la surface soit placée vers le bas, une phase supplémentaire de chauffage de la plaquette retournée à une température supérieure à la température d'adhérence qui provoque une interaction de la pastille métallique avec la plaquette, et une phase de refroidissement jusqu'à la température ambiante de la plaquette retournée. Sur la figure 1, une pastille métallique 2 de composition donnée est placée sur une plaquette 1 de semi-conducteur cristallin. La pastille métallique 2 a un point de fusion inférieur à celui de la plaquette 1 de semi-conducteur cristallin. La pastille métallique 2 placée sur la plaquette 1 de semi-conducteur cristallin est portée, dans une atmosphère oxydante, à une température d'adhérence comprise entre les températures de fusion de la pastille métallique 2 et de la plaquette 1. Au cours du chauffage, la plaquette métallique 2 fond en prenant la forme d'une sphère et adhère à la surface de la plaquette 1 par la surface de contact 5. A la température d'adhérence, même quand on tourne vers le bas la plaquette 1 à laquelle adhère la pastille métallique 2, la pastille métallique 2 ne tombe pas de la plaquette 1. La plaquette 1 sur le dessous de laquelle est placée la pastille 2 est ensuite portée, sous atmosphère non oxydante, à une autre température de chauffage supérieure à la température d'adhérence et inférieure à la température de fusion de la plaquette 1. Au cours du chauffage ultérieur, la pastille 2 de métal fondu attaque la plaquette 1 comme représenté sur la figure 2 et elle dissout les constituants de la plaquette 1 jusqu'au taux de solubilité. A la température la plus élevée de la phase de chauffage ultérieure, la pastille 2 de métal fondu présente une composition essentiellement identique à celle de la partie attaquée +. Au cours du refroidissement jusqu'à la température ambiante, les produits dissous précipitent au niveau de la partie attaquée 4 ainsi qu'à la surface de la pastille métallique 2 et ils forment une couche précipitée 5 s'étendant essentiellement sur la partie attaquée, comme représenté sur la figure 5. La couche précipitée 5 présente une croissance épitaxiale et elle complète une jonction à la surface de contact avec la plaquette 1. Selon la présente invention la surface de contact a une forme régulière qui dépend des indices du plan de la surface de contact de la plaquette, par exemple une forme triangulaire sur un plan [1113 et une forme carrée sur un plan [100]. La plaquette de semi-conducteur cristallin dont il est question ici est un semi-conducteur capable de former une jonction p-n ou analogue avec une pastille métallique. La pastille métallique dont il est question ici est un métal constituant un élément capable d'être donneur ou accepteur pour le semi-conducteur considéré ou par un alliage comprenant au moins un élément choisi dans le groupe constitué par un matériau donneur, un matériau accepteur et un matériau porteur pour le semi-conducteur considéré. On peut combiner un monocristal semi-conducteur de silicium ou de germanium avec de l'aluminium ou de l'indium. L'alliage réalisable avec ces semi-conducteurs comprend au moins un métal porteur tel que l'étain, le plomb, l'or et l'argent et leurs alliages et au moins un matériau actif tel que le phosphore, l'arsenic, l'antimoine, le bismuth, le bore, l'aluminium, le gallium et 1 'in- dium. La jonction formée par le procédé selon la présente invention présente un courant de fuite inférieur à celui des jonctions fabriquées par un procédé classique. Cet effet est particulièrement accru quand la pastille métallique comprend de l'aluminium comme accepteur. Par raison de commodité, il est préférable que la plaquette à laquelle adhère la pastille métallique soit retournée de bas en haut après avoir été refroidie à la température ambiante. La plaquette retournée est placée dans un four et elle est portée à une nouvelle température de chauffage. On peut obtenir une meilleure adhérence entre la pastille métallique et la plaquette en chauffant cette dernière sur laquelle est placée la pastille métallique sous une pression réduite infé rieure à 5,5 x 10-5 mm de mercure. Le procédé selon la présente invention est particulièrement efficace pour fabriquer une diode au silicium à jonction hyperabrupte comprenant comme -accepteur de l'aluminium. Un nouveau procédé selon la présente invention comprend (1) une phase de chauffage d'une plaquette de silicium semi-conducteur de type p sur la face supérieure de laquelle est placée une pastille d'alliage, à une température d'adhérence comprise entre 540"G et 940 C, sous u ne pression réduite d'air inférieure à 5 x 10 -5 mm de mercure, pha- se au cours de laquelle la pastille d'alliage fond et adhère à la face considérée, (2) une phase de retournement de la plaquette de bas en haut, à la température ambiante, au cours de laquelle la pastille d'alliage qui a adhéré est placée au-dessous de la face considérée;; ()) une phase é chauffage supplémentaire de la plaquette munie de la pastille d'alliage à une tèmpérature comprise entre 9600 C' et 1-.0800C, sous une atmosphère non oxydante, pendant un intervalle de temps compris entre 5 eut 40 minutes, ce qui entrai- -ne que la pastille d'alliage attaque la plaquette sur la surface de contact et (4) une phase de refroidissement de la plaquette attaquée sur la surface de contact par-la-pastille d'alliage.La pas tille d'alliage est constituée essentiellement par un alliage d'étain, d'antimoine et d'aluminium avec des proportions en poids Sn: Sb:Al = 500 rr- 1.500 : 25 - 100 : 1. La plaquette de silicium de type p présente une résistivité spécifique comprise entre 5 et 100 cam-cm. tes diodes au silicium à jonction hyperabrupte préparées par le procédé selon la présente invention présen s tun courant de fuite inférieur à celui des diodes préparées par un procédé classique. EXEMPLE On place dans une nacelle de quartz une plaquette de silicium semi-conducteur de type p. On place sur la plaquette une pastille d'alliage dont la composition est donnée ci-dessous. La plaquette a la forme d'un carré de 2 x 2 mm et elle a 0,2 mm d'épaisseur. La pastille d'alliage a la forme d'un comprimé de 0,5 mm de diamètre et de 0,5 mm de hauteur. TABLEAU I Composition en parties en poids de-la pastille d'alliage Al Sb Sn 1 55 800. La pastille d'alliage placée sur la plaquette est- chauffée à une température d'adhérence égale à 660 C pendant 20 minutes, sous une pression réduite de 2 x 10 5 mm de mercure. Au cours du chauf- fage, la pastille d'alliage fond en donnant une sphère et adhère à la plaquette sur la surface de contact. On retourne la plaquette refroidie de manière que la pastille d'alliage soit placée sous la plaquette. La plaquette retournée dans la nacelle de quartz est ensuite chauffée sous hydrogène à l.0400C pendant 25 minutes. A la température de 1.040"C, la pastille d'alliage attaque la plaquette à la surface de contact et y dissout le silicium jusqu'autaux de solubilité correspondant à cette température.En meme temps, des atomes d'aluminium de la pastille d'alliage diffusent depuis la surface de contact dans la plaquette. Un refroidissement à la température ambiante a pour effet de faire précipiter le silicium essentiellement dans la partie attaquée et de former une diode au silicium à jonction hyperabrupte. On ajoute à la diode au silicium refroidie un fil conducteur 11 soudé au moyen d'une soudure classique 12 à la pastille d'alliage 2 et une électrode en molybdène 15 soudée à la surface libre de la plaquette 1 en utilisant une soudure 14 eutectique Al-Si comme représenté sur la figure 4. Un millier d'échantillons de diodes au silicium à jonctions hyperabruptes ont été préparées en même temps d'une manière exactement semblable à celle décrite ci-dessus. On a étudié la répartition des courants de fuite de 1.000 diodes au silicium. D'autre part, on a préparé mille autres échantillons de diodes au silicium à jonction hyperabrupte d'une manière exactement semblable à celle décrite ci-dessus, si ce n'est que l'on n' a pas retourné les plaquettes sur lesquelles adhèrent les pastilles d'alliage. Le tableau 2 établit une comparaison concernant la distribution du courant de fuite entre le nouveau procédé selon la présente invention et le procédé classique. TABLEAU II Courant de fuite Pourcentage à -DQ V. (mA) Nouveau procédé Procédé classique 50 - 100 7 4 100 - 200 2 5 200 - 500 18 10 500 - 1.000 15 16 1.000 - 2.000 16 15 2.000 La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réa- lisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaitront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'une diode à semi-conducteur ayant une jonction p-n, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer une plaquette de semi-conducteur cristallin , sortant une pastille métallique placée au-dessus d'une de ses faces, opération au cours de laquelle la pastille métallique fond et adhère à ladite face ; à retourner la plaquette de bas en haut de façon que la pastille métallique après adhérence du métal soit placée au-dessous de cette face ; à chauffer encore la plaquette retournée à une température supérieure à la température d'adhérence ; ce qui provoque l'interaction de la pastille métallique avec. la plaquette ; et à refroidir la plaquette retournée à la température ambiante. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette à l'une des faces de laquelle a adhéré la pastille métallique est retournée de bas en haut à la température ambiante. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pastille métallique contient de l'aluminium comme constituant actif. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette de semi-conducteur cristallin sur la face tournée vers le haut de laquelle est placée une pastille métallique est chauffée sous une pression réduite, inférieure à 5 x 10 5 mm de mercure. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette de semi-conducteur cristallin est choisie dans le groupe constitué par un monocristal de germanium et par un monocristal de silicium. 6 - Procédé selon la revendication 5, caracterisé en ce que la pastille métallique est constituée par un métal choisi dans le groupe constitué par l'aluminium et l'indium. 7 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pastille métallique comprend au moins un métal porteur choisi dans le groupe comprenant l'étain, le plomb, l'or, l'argent et leurs alliages et au moins un élément actif choisi dans le groupe comprenant le phosphore, l'arsenic, l'antimoine, le bismuth, le bore, l'aluminium, le gallium et l'indium. 8 - Procédé de fabrication d'une diode au silicium à jonction hyperabrupte, caractérisé en ce qu' il comprend une opération de chauffage de la plaquette de silicium de type p dont la face tournée vers le haut porte une pastille d'alliage à une température comprise entre 540 C et 940go sous uIse pression réduite d'air inférieure à 5 x 10 5 mm de mercure, ce qui a pour effet de faire fondre la pastille d'alliage qui contient de l'étain, de l'aluminium et de l'antimoine, et de la raire adhérer à ladite face de la plaquette ; une opération au cours de laquelle on retourne la plaquette de bas en haut, à la température ambiante, de façon que la pastille d'alliage soit placée au-dessous de la face à laquelle elle a adhéré ; une opération de chauffage supplémentaire de la plaquette retournée à une température de 960GC à 1.080 C sous hydrogène gazeux pendant un intervalle de temps allant de 5 à 40 minutes ; et une opfration de refroidissement à la température ambiante de la plaquette -retournée. 9 - Dispositif semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il est obtenu par un procédé selon l'une des revendications 1 à 8. 10 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est conçu sous forme d'une jonction p-n ayant un courant de fuite peu important.