Brevet FR2076032A1 — publié le 19711015

La présente invention est relative à des dispositifs semi-conducteurs et s'applique à des dispositifs semi-conducteurs agencés pour un traitement à haute température. On sait fabriquer des dispositifs semiconducteurs utilisant des jonctions dial'.agesH Une jonction alliage est utilisée avantageusement dans des dispositifs tels que des diodes à avalanche et basse tension du fait des caractéristiques supérieures de claquage à basse tension d'une telle jonction Une des caractéristiques d9une jonction alliage est le fort gradient de concentration dans la jonction.Bien que les dispositifs à jonctions d'alliages de types connus présent tent des caractéristiques souhaitables, ils posent cependant d sérieux problèmes qui nont pas été encore résolus9 à savoir l'impossibilité de traiter le dispositif à haute température et d'effectuer facilement ? passivation des parties exposées de la jonction. Un des dispositifs de types connue utilise une jonction qui est la combinaison d'une region diffusée et d'une région alliée. Bien que cette disposition facilité le problème de passivation9 le problème majeur reste non résolu. l'impossibilité de résister à des températures de traitement supérieures à 6000C empêche l'utilisation de ce dispositif dans des environnements à dissipation de chaleur élevée Les dispose tifs de types connus comportent un ex-es alliage et après Tia phase de recristallisation de la région soumise à un regrossissement de grains e Un traite- ment ultérieur à une température enlevée provoquerait une péné- tration de la région de regrossissement par la matière d'alliage, ce qui altérerait les caractéristiques de la jonction et par conséquent du dispositif. Le dispositif semi-conducteur suivant l'invention et son procédé de fabricatlon permettent de résoudre les problèmes non résolus jusqu'à maintenant. l'invention a en conséquence pour but de fournir un dispositif semioconducteur au silicium capable de résister à un traitement à haute température. L'invention a également pour but de fournir un dispositif semi-conducteur presentant une combinaison de jonction diffusée et alliée et agencé pour résister à des environnement à haute temperaturee l'invention a également pour but de fournir un procédé de fabrication d'une diode au silicium du type à avalanche et à basse tension9 agencée pour etre traitée à haute température. A cet effet9 l'invention concerne un dispositif semi-conducteur9 caractérise-en ce qu'il comprend une pastille de silicium d'un premier type de conductivité présentant une face supérieure et une face inférieureS une couche d'un second type de conductivite opposé au premier type établie dans une partie seulement de la pastille de silicium et englobant la face supérieure de ladite pastilles cette couche établissant une jonction PN avec la pastille de silicium, une matière alliage présentant le second type de conductivité et formée par alliage au travers de la surface supérieure de la couche d'un second type de conductivité9 une première partie de la matière d'alliage formant une jonction PN alliée avec la pastille de silicium et une région de regrossissement9 de conductivité du premier type9 une seconde partie d'alliage. Lsnnvention concerne également un procédé pour la réalisation du dispositif semi-conducteur ci-desus. Bienlèvement de la matière alliée en excès permet d'obtenir des avantages importants en ce qui concerne le traitement ultérieurs Lorsque le dispositif est traité à haute température dans des procédures telle qu'un encapsulage avec du verre9 l'absence de matière alliée dans la zone de regrossissement fait en sorte que les caractéristiques du dispositif ne soient pas altérées En particulier, une matière alliée appropriée fond à une température d'environ 575 Cptandis qu'une phase de liaison de contacts et dwencapsulage avec-du verre né cessite des températures de traitement dépassant 1 600 C.Une refusion de la matière alliée peut se traduire par une pénétration de la région-de regrossissement recristallisée9 en-altérant ainsi les caractéristiques du dispositif. l'élimination deux'excès de matière fait en sorte que les caractéristiques du dispositif puissent être conservée-sp ce qui permet de soumettre le dispositif à des températures élevées de traitement0 Un mode de réalisation de l'invention est représenté à titre exemple non limitatif sur les dessins ci Joints dans lesquels - la figure 1 est une section droite d'une pastille semi-conductrice comportant une zone diffusée :: les figures 2a-2b-2c sont des coupes mettant en évidence la fabrication du dispositif semi-conducteur suivant lçinvention o la la figure 3 est une coupe d'un disposi- tif semi-conducteur fabriqué suivant le procédé de l'invention 2 - la figure 4 est une coupe d'un mode de réalisation d'un dispositif semi-conducteur encapsulé qui a été fabriqué suivant l'invention. Sur la figure 1, on a représenté une pastille semi-conductrice désignée par la référence 10. La pas- tille 10 est de préférence formée de silicium de conductivité de types mais elle pourrait être fabriquée à partir d'autres matières classiques tel que du germanium Une région il de conductivité de type-r est formée dans la masse de la pastille de silicium de type, la région 11 englobant la surface 13 de la pastille de silicium 10.La région Il d type-P est de pré- férence formée par diffusion "planar" de substances dopantes de type-P tel que du bore ou de l'aluminium dans la surface 13 de la pastille de silicium 10. En variante, la région 11 peut être formée par grossissement épitaxial. Le procédé suivant l'invention peut Ftre mieux compris en référence aux figures 2a à 2c, dans lesquelles on a représenté les différents états intermédiaires d'un dispositif semi-conducteur fabriqué suivant l'invention0 La figure 2a montre la phase initiale de préparation du dispositif semiconducteur. Une pilule 12 de matière d'alliage de type-r est déposée sur la surface 13 de la région 11 de type-P, cette pilule 12 étant formée d'une matière appropriée de conductivité de typer telle que de l'aluminium. La pilule d'aluminium 12 est disposée sur la surface 13 de la région 11 de type-P par des moyens classiques. En variante; la surface 13 de la région Il de type-P pourrait être passivée à laide d'une couche dPune matière protectrice telle que de l'oxyde de silicium une partie de cette couche étant ensuite soumise à un procédé photolîtho- graphique classique de manière à assurer l'exposition d'une partie de la surface 13 de la région 11 de type. Une fois qu'une partie de la surface 15 de la région il a été exposée, la pilule d'aluminium 12 peut être déposée sur la surface exposée par évaporation sous vide ou par bombardement. Sur la figure 2BS on a mis en évidence les resultats de l'alliage de la pilule d'aluminium 12e Pour allier la pilule d'aluminium 129 la pastille de silicium 10 et la pilule d aluminium 12 sont portées à une température qui fait fondre la pilule 12e Dans le cas de l'aluminium, la température alliage préférée est comprise entre 700 et 800 Co après avoir soumis la pastille de silicium 10 à la température d'alliage pendant une période appronriée9 l'aluminium fond au travers de la région il de type-P et pénètre dans la partie de la pastille de silicium 10 de type-N.On laisse ensuite refroidir lentement le dispositif semi-conducteur de manière que le silicium recristallise en formant la région de regrossissement 21 et 22 qui est une com binaison de la jonction PN alliée et de l'interface recristallisée entre les deux parties de matière de conductivité de type-P. la région de regrossissement est saturée avec les constituants de la pilule d'aluminium 12. l'aluminium allié a divisé la région de type-P 11 en formant une région de regrossissement 22 qui est une région de conductivité de type P+0 La région 20 est obtenue dans la phase d'alliage et elle est formée d'un mélange d'aluminium et de silicium. Sur la figure 209 on a représenté un dispositif semi-conducteur après qu'il a été soumis à la phase suivante du procédé de l'invention. Les régions de regrossisse ment 21 et 22 forment dans la pastille de silicium 10 une cavité qui présente un profil conique dirigé vers l'extérieur à mesure qu'on se rapproche de la surface supérieure de la région il de type-P. L'excès de matière d'alliage 20 npa aucune influence sur la fonction de la jonction alliée 21 mais il peut avoir un effet important de dégradation Si on le laisse subsister. L'invention a pour but de fournir un dispositif semi-conducteur qui puisse entre traité à haute température sans altération des carac- téristiques du dispositif.On entend par l'expression "température élevée" des températures dépassant 60000. La capacité de résistance à l'influence de température de traitement élevée est souhaitable lorsqu'un dispositif semi-conducteur doit être placé dans une enveloppe présentant de bonnes caractéristiques de dissipation de chaleurs Par exemple9 une capsule en verre peut être formée dans une seule opération nécessitant une température de traitement qui dépasse 7000C, Si le dispositif représenté sur la figure 2b est soumis à des températures supérieures à 600oc l'excès de matière alliage fondue 20 pourrait pénétrer dans la région de regrossissement 21 en altérant ainsi les caractéristiques de la jonction PN formées dans la région 21. Pour adapter le dispositif semi-conducteur en vue de pouvoir le traiter à haute température9 on doit enlever l'excès de matière d'alliage 20 situé dans les limites de la cavité et à l'extérieur des régions de regrossissement 21 et 22. Leenlèvement de cet excès de matière 20 s'effectue à laide d'un décapant chimique approprié pour être utilisé avec la matière d'alliage de types sélectionnée mais il va de soi que cet excès de matière pourrait être enlevé par dgautres moyens appropriés. Après enlèvement de l'excès de matière d'alliage 20S le dispositif semi-conducteur comporte une cavité exposée 23 qui est pratiquement dépourvue de matière d'alliage 20e En variante9 le dispositif semi-conducteur de la figure 2c peut être fabriqué par un autre procédé.Par exemples après que la région 11 a été produite par diffusion dans la pastille de silicium 10, une cavité conique peut être formée dans la région 11 et dans la pastille de silicium 10 comme indiqué sur la figure 2c9 Après formation de la cavité5 une couche de passivation appropriée est déposée sur la surface 13 de la pastille 10; la cavité étant exposée par un processus photolithographique classique. La matière dallage est ensuite déposée sur la surface exposée de la cavité par exemple par évaporation sous vide.En contrôlant correctement la température dBalliagef une jonction PN alliée pourrait être formée comme indiqué sur la figure 2co Bien que le dispositif semi-conducteur suivant l'invention puisse être fabriqué par le procédé décrit plus hautD le procédé préféré fait intervenir une phase dans laquelle la partie alliée est formée par alliage direct de la pilule d'aluminium 12 avec la surface 125 sans formation initiale dsune cavité. Sur la figure 3 on a représenté la phase de traitement final du dispositif semi-conducteur, le dispositif traité mais non-enveloppé par la capsule étant désigné par la référence 40. La surface expoésé 30 de la région 11 de type, la cavité 23 et la surface 31 de la pastille de silicium 10 sont recouvertes par une couche métallique de contact chimique 32. Les couches de contact 32 peuvent entre formées dgun métal de contact classique mais elles sont de préférence constituées ou ou d'un alliage nickel ore les contacts 32 sont disposés sur les surfaces 232 30, 31 par des méthodes classiques, par exemple par évaporation sous vide ou par bombardement. La phase finale de préparation du dispositif semi-conducteur 40 pour l'enveloppement ou ltencapsulage consiste en une passivation des surfaces latérales 33. Une jonction PN est formée par la région 11 de type-P diffusée et par la pastille 10 en silicium de type, la jonction étant située au voisinage des surfaces 33. Une passivation de la jonction exposée est nécessaire pour empêcher une contamination du dispositif. Les couches passivantes 34 sont déposées sur les surfaces latérales 33 par des moyens classiques, par exemple par bombardement, les couches passivantes 34 étant de préférence formées de silane ou dioxyde de silicium. fre dispositif semi-conducteur 40 représenté sur la figure 3 est supérieur aux dispositifs de types connus. Ce dispositif 40 comprend une jonction PN composite formée de la combinaison des régions diffusée Il et alliée 21. le dispositif semi-conducteur 40 est représenté sous la forme d'une diode à avalanche à- basse tension mais il va de soi que le procédé de l'invention peut également être appliqué à la fabrication d'au- tres types de dispositifs. Les avantages du dispositif semi-conducteur 40 sont dérivés de la structure finales Une diode à avalanche à basse tension et à jonction alliée fabriquée par un procédé de type connu présente des caractéristiques qui sont bien inférieures à celles -du dispositif suivant ltinvention La jonction PN diffusée qui est formée par l'interface de la région diffusée 11 et de la pastille de silicium 10 remplit la ponction d'une barrière entourant la jonction d9alliageO En ce qui-concerne-les caractéristiques de fonctionnement d une-diode à avalanche à basse tension, le dispositif 40 présente la caractéristique de elaquage avantageuse dgune jonction alliée Puisque la tension en avalanche-dDune jonction alliée est-typiquement inférieure à celle d'une jonction diffusée, la combinaison d'une jonction diffuséé et-d'une jonction diffusée permet diobtenir un faible courant de fuite dans la jonction diffusée, tandis que la jonction alliée se trouve dans une condition d'avalanche. Du point de vue de la fabrications la surface de la jonction diffusée est plus facile à passiver que la surface d'une jonction alliée.Les surfaces 33 qui doivent être passivées comprennent la jonction diffusée exposée, ce qui simplifie le processus de passivation Un élément particulièrement important de la diode à avalanche 40 représentée sur la figure 3 est la formation de la cavité 23. La cavité 23 est obtenue par décapage chimique de l'excès de matière d'alliage 20, cette matière pouvant entre également enlevée par d'autres moyens. Puisque la région de dégrossissement recristallisée 21 permet la formation de la jonction PN alliée, l'excès de matière 20 résultant de cette phase d'alliage est superflu L'enlèvement de l'excès de matière alliage 20 succède à la phase de profilage des régions de grossissement 21 et 22, et résulte par conséquent de la cavité de profil conique 23 dont la section droite diminue à mesure que la cavité 23 pénètre en dessous de la surface supérieure du dispositif 40. Ltenlèr vement les matières alliage qu'il est préférable d'utiliser présentent des points de fusion d'environ 5750C, tandis que les températures de traitement intervenant dans les opérations ultérieures sont comprises entre 700 et 80000e Si l'excès de matière d'alliage 20 nea pas été enlevé, des températures de traitement supérieures à 17500 auront un effet perturbateur sur le dispositif résultant, en provoquant une refusion de la matière d'alliage 20 et par conséquent une pénétration de cette matière dans la région de regrossisse- ment 21. La pénétration de la région de regrossissement 21 altère les caractéristiques de la jonction PN du fait de la modification se produisant dans l'interface entre les matières de conductivités de type-P et de type. Sur la figure 4, on a représenté une coupe d'une enveloppe utilisant une diode à avalanche à basse tension 40, le dispositif final étant désigné par la référence 50. L'enveloppe 50 comprend deux masselottes métalliques 51 placées dans des positions adjacentes aux contacts métalliques 32, ces masselottes 51 assurant une bonne dissipation de chaleur dans la diode 40. Biencapsulage en verre 52 est disposé autour d'une partie des masselottes métalliques 51 et de la diode 40, i3encapsulage 52 assurant l'isolement étanche de la diode 40 par rapport à un environnement contaminant Pour former l'en- veloppe ou emballage 50, la diode 40 doit être soumise à une opération à phase unique dans laquelle les masselottes métalliques 51 sont fixées sur les contacts métalliques 32 et dans laquelle lfenveloppe ou capsule en verre 52 est formée, cette opération faisant intervenir une température supérieure à 700 C. Des fils métalliques 53 sont prévus pour établir un contact électrique avec la diode 40. Les masselottes métalliques 51 et les fils métalliques 53 sont formés de métaux de contact olassi ques, les métaux utilisés ne rentrant pas dans le cadre de linvention. Lsenveloppe -50 a été représentée en correspondance à des configurations de dispositifs qui peuvent être obtenues seulement en traitant le dispositif semi-conducteur 40 à des températures supérieures au point de fusion de la matière dQalliageO le procédé de fabrication du dispositif semi-conducteur 40 utilise les avantages d'une Jonction alliée et permet d'obtenir un dispositif qui peut être ultérieurement traité à des températures supérieures au point de fusion de la matière d2alliage. L2enlèvement de l'excès de matière d'alliage 20 évite une pénétration de la région de regrossissement 21 après exécution de la phase alliage, ce qui conserve les caractéristiques établies de la ;jonction PN alliée. Le dispositif 40 peut par conséquent être traité à des températures supérieures au point de fusion de- la matière d'alliage 20 et il utilise par conséquent les variétés d'enveloppes qui présentent de bonnes caractéristiques de dissipation de chaleur, ces enveloppes étant formées seulement en utilisant un traitement à haute températuree Bien entendu, lQinvention 'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés à partir desquels on pourra prévoir d'autres formes et d'autres modes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de 1 inventlone REVENDICATIONS 10/ Dispositif semi-conducteur9 caractérisé en ce qu'il comprend une pastille de silicium dtun premier type de conductivité présentant une face supérieure et une face inférieureD une couche dun second type de conductivité opposé au premier type établie dans une partie seulement de la pastille de silicium et englobant la face supérieure de ladite pastille, cette couche établissant une jonction Pli avec la pastille de silicium9 une matière d'alliage présentant le second type de conductivité et formée par alliage au travers de la surface supérieure de la couche dgun second type de conductivité9 une première partie de la matière d'alliage formant une jonction PN alliée avec la pastille de silicium et une région de regrossisse ment9 de conductivité du premier type, une seconde partie de la matière d'alliage étant agencée pour être enlevée afin de former dans la face supérieure une cavité délimitée par la première partie de cette matière d'alliage 20/ Dispositif semi-conducteur suivant la revendication 19 caractérisé en ce que la couche doun second type de conductivité est une couche diffusée0 30/ Dispositif semi-conducteur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la pastille de silicium a une conductivité de types 40/ Dispositif suivant la revendication 19 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens tour établir un contact électrique avec les faces supérieure et inférieure de manière à former un contact avec les deux jonctions diffusé et alliée 50/ Dispositif semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend une pastille de silicium d'un premier type de conductivité comportant une face supérieure et une face inférieure, une cavité de profondeur prédéterminée étant ménagée dans la pastille de silicium en englobant une partie de la face supérieure o une couche d'un second type de conductivité opposé au premier type, formée par diffusion dans la pastille de sili cium en englobant sa face supérieuren la cavité stétendant dans la pastille de silicium en dessous de la couche de second type de conductivité9 une matière d'alliage du second type de con ductivité, introduite par alliage dans la cavité dont une premier re partie forme une jonction PN avec la pastille de siliciums une seconde partie formant une région de grosse cristallisation du second type de conductivntéD de manière que la surface de la cavité soit pratiquemen dépourvue de matière dlallwage nonMallieeo des moyens étant prévus pour établir un premier contact électrique avec la face supérieure et la surface de cavité et pour établir un second contact électrique avec la face inférieure. 63/ Dispositif semimconducteur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la pastille de sili cium a une conductivité de type-N. 70/ Procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur, suivant la revendication 1, procédé caractérisé en ce qu'on forme une plaquette de silicium d'un premier type de conductivité comportant une surface, on forme une région dgune conductivité de second type, opposé au premier à l'intérieur d'une partie de la pastille de silicium englobant la surface de la pastille, on allie une matière présentant le second type de conductivité dans une partie seulement de la surface de la pastille au travers de la région de second type de conductivité afin de pénétrer dans la pastille de silicium en formant une jonction PN avec la pastille, on refroidit la pastille de silicium en formant une région de grosse crïs- tallisation et on forme dans la surface de la pastille de silicium une cavité délimitée par la région de grosse cristallisation, en enlevant la matière d7alli.age non incluse dans cette régions 80/ Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la région de conductivité de second type est formée par diffusione 90/ Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la pastille de silicium est de conductivité de type Ni 100/ Procédé de fabrication suivant la revendication 7, caractérisé en ee dugon établit un contact électrique avec les deux régions de conductivité de types opposés. 11 / Procédé de fabrication suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la matière alliage non incluse dans la région de regrossissement est enlevée par dé capage chimique. 12 / Procédé de fabrication d'une diode agencée pour titre traitée à haute température, caractérisé en en ce qu'on forme une pastille de silicium de conductivité de type-N comportant une face supérieure, une face inférieure et une face latérale, on fait diffuser une couche de conductivité de type-P au travers de la face supérieure de la pastille de silicium, cette couche englobant la face supérieure de la pastille, on place une matière d'alliage de conductivité de type-P sur une partie seulement de la face supérieure de la pastille, on chauffe la pastille de silicium pendant un temps suffisant pour introduire par alliage la matière d'alliage au travers de la couche de conductivité de typez et pour la faire pénétrer dans la partie de la pastille de silicium de conductivité de type, on refroidit la pastille de silicium en formant une région de grosse cristallisation autour d'une partie de la matière d'alliage, on décape chimiquement la matière d'alliage non-incluse dans la région de grcsse cristallisation, on dispose des contacts électriques sur les faces supérieure et inférieure de la pastille de silicium et on dépose une couche passivante sur les faces latérales de la pastille de silicium.