Brevet FR2099690A1 — publié le 19720317

La présente invention concerne les dispositifs à semi-conduc teur. Le brevtet franças n 1 597 737 décrit un phénomène appelé, "formation" (terme qu'on utilise dans le présent mémoire) présenté par certaines pellicules minces de :ruorte ou d'oxyde non saturé notamment d'oxyde de silicium non saturé Lors de l'application d'une tension aux extrémités d'une finé pellicule d'oxyde de silicium non saturé SiOx comprise entre les couchés conductrices, la pellicule d'oxyde passe d'un état isolant à un état conducteur. Cet effet est irréversible, car la pelîiculeresteconductrice après la "formation". Le brevet français n 1 597 737 précité donne une théorie de ce phénomène de "formation" qu'on considère comme la croissance de fins filaments conducteurs passant à travers la pellicule d'oxyde silicium non saturé. Cette théorie et les expériences réalisées en fonction d'elle ont amélioré la compréhension du rôle des couches d'oxyde non saturé dans les dispositifs à semi-conducteur et ont conduit à considérer qu'on peut réaliser des jonctions p-n améliorées en réglant la formation des pellicules d'oxyde ou autres en particulier en ce qui concerne leur uniformité, l'importance de l.'insaturation et l'épaisseur, et ceci forme la base de l'invention. On peut déposer directement la couche d'oxyde non saturé, par exemple par dépôt ou évaporation sous vide. Selon une variante, on peut réaliser la couche en déposant d'abord une couche de métal, puis en l'oxydant par anodisation à travers la surface du substrat. Des couches d'oxyde non saturé présentant le phénomène de formation sont l'oxyde de silicium non sature SiO@, l'oxyde de titane TiOx, l'oxyde de niobium Nb2O5, l'oxyde de tantale la et l'alumine Al2O3. De façoh similaire, on peut obtenir des effets analogues, bien que moins satisfaisants, a l'aide d'une couche de fluorure non saturé, par exemple de fluorure de calcium OaF2 ou de magnésium MgEi2. . En conséquence, l'invention concerne de manière générale le dép8t d'une couche de fluorure non saturé capable de présenter le phénomène de formation, comme variante de la mise en oeuvre d'une couche d 'xy- de non saturé. Cependant, on préfère utiliser une couche d'oxyde et plus précisément une couche d'oxyde de silicium non saturé SIU dans laquelle le rapport silicium/oxygène est compris entre 1/1 et 1/1,6. De préférence, on limite le dépôt de manière que la couche d'oxyde ait moins de 1 500 d'épaisseur et de préférence moins de 500 . On obtient les meilleurs résultats avec des avec des couches dont l'épaisseur est comprise entre 200 et 400 A. L'invention concerne un dispositif à semi-conducteur destiné à jouer le rôle d'un dispositif détecteur de radiations à couche d'arrêt superficielle, comprenant un substrat semi-conducteur de type n portant une couche dioxyde ou de fluorure non saturé capable de donner lieu au phénomène de formation, déposée comme décrit précédemment, une couche de métal, d'or de préférence, déposée sur la couche d'oxyde et une connexion électrique, faite sur' la face arrière du substrat, c'est-à-dire la face opposée à celle qui porte la couche d'oxyde ; ainsi, le dispositif peutfonctionner comme un détecteur de radiations à couche d'arrêt superficielle lorsqu'on "applique les tensions appropriées. La connexion électrique peut comprendre une couche d'nlumi- nium déposée sur la face arrière du substrat. De préférence, ce dernier est en silicium de type n. De préférence, on réalise la connexion électrique en faisant diffuser du phosphore à la face arrière dû substrat en silicium de type n pour former une fine région de type p, et on revêt celle-ci d'une couche de métal, d'or de prdfdrence. L'invention concerne de plus un transistor à effet de-champ comportant une jonction p-n formée par une couche d'oxyde non saturé capable de présenter le phénomène de formation et déposée comme décrit précédemment sur un subStrat' semi-conducteur de type n, une couche métallique placée sur La couche dtoxyde et un dispositif destiné à réaliser un contact électrique avec la couche métallique. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif comprend un substrat de silicium de type p ayant une région de type n dans laquelle se trouvent des régions extrêmement dopées de type n formant la source et le drain, ladite jonction p-n se t'ro'u'vant --entre 'ces deux éléments. De préférence, la couche d'oxyde est dans'o'e cas en oxyde de silicium non saturé. L'invention concerne aussi UL1 procédé de fixation de fils de contact électriques selon lequel on associe par compression à froid à la surface de contact une pastille d'indium ou d'autre mé- tal qui se déforme facilement à la température ambiante, et on associe par compression à froid le fil de contact à la pastille d'indium. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe schématique dlun détecteur de radiations en silicium, à couche d'arrêt superficielle ~ la figure 2 est une coupe schématique d'un transistor connu à effet de champ ; la figure 3 est une vue schématique en plan du transistor de la figure 27suivant la flèche la figure 4 est une coupe schématique d'un transistor à effet de champ selon l'invention ; et la figure 5 est une perspective schématique'd'une partie de l'appareil utilisé pour la réalisation deispositifs des figures 1 et 4. On fabrique de manière classique undétecteur de radiations en silicium, à couche d'arrêt superficielle, en formant une jonction de redressement à couche d'arrêt superficielle, par exemple 'une couche d'or évaporée sur un substrat en silicium de type n. On forme alors un contact ohmique à la face arrière du substrat par attaque chimique et revêtement par une couche d'aluminium. L'expérience montre qu'on obtient de meilleures jonctions lorsqu'on expose lé silicium à l'air pour former une couche superficielle d'oxyde après dépôt (par évaporation sous vidé par exemple) de la couche d'or (car celle-ci est perméable à l'oxygène). Lorsqu'on met en oeuvre cette technique classique d'oxydation spontanée du silicium, on obtient un oxyde assez collant de stoechio- métrie arbitraire. De plus, l'oxyde qui s'est formé de cette -manière peut subir une désorptio partielle au cours de l'utilisation du dispositif sous vide. Il est important de considérer qu'on évite ces inconvénients en disposant, selon l'invention, dans des conditions réglées, une pellicule uniforme d'oxyde qu'on peut rendre conductrice grâce au phénomène de formation. Ainsi, dans l'exemple de la figure 1, on obtient une amélioration importante des caractéristiques et de la reproductibilité de la Jonction p-n en déposant une couche d'oxyde de silicium non saturé avant le dépôt de l'électrode métallique. On règle les conditions de dépôt de manière que la stoechiométrie et l'épaisseur de la couche d'oxyde permettent à celle-ci de devenir conductrice lorsqu'on applique un champ électrique, c'est-à-dire permettent la formation de l'oxyde. La figure 1 représente un détecteur de radiations comprenant un disque il de silicium de type n portant une couche 12 d'oxyde de silicium non saturé à sa surface 13, et, sur l'oxyde, une couche 14 d'or. On réalise un contact électrique en 15 sur la couche 14. On fait diffuser sur la face arrière 16 du substrat 11 du phosphore o pour former une fine zone 17 de type p d'environ 2 000 A d'épaisseur, puis on dépose une couche 18 d'or sur une surface correspondent à celle de la couche 14. On réalise le contact électrique en 19 sur la couche 18. Le procédé de fabrication du dispositif de la figure 1 est le suivant. On découpe un disque en silicium de type n dans un monocristal d'environ 1 à 2,5 mm d'épaisseur. On prépare ce disque de manière classique par polissage mécanique, dégraissage et attaque chimique sous vide dans une solution de CP4 à la température ambiante. On forme le contact ohmique (contact à faible résistance n'assurant pas d'injection), dans l'exemple considéré, par diffusion de phosphore puis évaporation sous vide d'or sur la surface dans laquelle est diffusé le phosphore. On expose alors la face 13 attaquée du substrat Il à des vapeurs de monoxyde de silicium dont la pression est de 1, 3 10 8 à g,10'7 7 bar . La figure 5 représente l'appareil d'évaporation de monoxyde de silicium qui permet un bon réglage de la température du creuset et évite le phénomène de "crachement". L'appareil se trouve dans un récipient sous vide (non représenté). Un creuset 21 en tantale est chauffé à une température choisie pour permettre l'évaporation du monoxyde de silicium, et on me sure la tempér@ture avec un pyromètre optique. On introduit de la poudre 22 de monoxyde de silicium dont les particules ont moins de 40 microns, à partir d'une trémie 23, sur un disque rotatif 24,et une lame 25 balaye celle-ci en la faisant tomber dansile creuset 21 par une glissière 26. La vitesse de rotation du disque 24 détermine la vitesse d'alimentation. On constate que ce procédé assure un bon réglage de l'évapo- ration et du dépôt des pellicules de mnoxyde de silicium. Avec cet appareil, on obtient une vitesse d'évaporation de 5 à 10 par se conde dans la plage de températures comprise entre 1 200 et I 500 K. On peut contrôler l'épaisseur de la pellIcule -déposée à l'aide d'une jauge d'épaisseur '!Genevac" qui travaille suivant le principe selon lequel la masse d'un cristal de quartz oseillant environ à 4 mégahertz varie en fonction de l'épaisseur. Il est possible avec cette épaisseur de mettre en évidence des variations d1épaisseur de o 20 A. Les propriétés électriques et optiques des pellicules de mono xyde de silicium évapore sous vide peuvent. varier considérablement en fonction de la température et de la pression d'évaporation. Dans le procédé décrit, le mnexyde de silicium est pur à 99,9% et on peut l'obtenir à Idnde Division de Union Garbide Corporation. Lors de l'évaporation d des pressions compris-es entre 1, 3.10-8 et 3.10 bar, de l'oxygène supplémentaire peut être absorbé, si bien que la pellicule peut avoir un degré d'oxydation compris entre celui de SiO et celui de SiO2.On donne souvent à de telles pellioules la formule SiO X pouvant ttre compris entre 1- et 1,-6,-. Qn constate que les propriétés électriques dépendent des conditions d'évaporation et notamment de la température. Ainsi pour obtenir les -propriétés elec- triques nécessaires à la réalisation d'une jonction p-n à faible bruit, il est souhaitable d'utiliser une température d'évaporation relativement basse.Cependant, les yitesses dt'évaporation sont, pro portionnelles à la tension de vapeur, mais pour les pellicules dont l'épaisseur est inférieure à 400 , n peut obtenir des vitesses con- venables d'évaporation à des températures aussi basses que 1 150 C. Si les températures d'évaporation dépassent 1.600 C environ, la diode à couche d'arrêt superficielle peut avoir un bruit élevétpropor- tionnel à l'inverse de la, fréquence. Après la mise en oeuvre du procédé de revêtement SiO=, on dépose une couche d'or dont l'épaisseur est comprise entre 200 et o 500 A. En pratique, il est commode de disposer les phases de fabrication de manière que le dépôt de la couche d'or à la fois sur la couche de SiOx et sur la couche comportant du phosphore diffusé ait lieu en une seule phase. Au lieu de faire diffuser du phosphore et de revêtir d'or la face arrière 16 du détecteur pour former un contact, on peut réaliser un contact classique en attaquant et en déposant une couche d'aluminium. Bien que la technique de diffusion du phosphore soit moins directe, on la préfère car les caractéristiques électriques du contact sont meillleures que celles du contact d'aluminium. Par exemple, ce dernier peut avoir finalement une résistance-série élevée (de l'ordre de plusieurs mégohms lorsque le, détecteur est polarisé dans le sens direct), du fait de la formation d'une Jonction de redressement. La fixation des fils 15 et 19 de connexion présente certaines difficultés. Par exemple, les contacts de la couche d'arrêt ne supportent pas le traitement nécessaire à l'association par thermo- compression. Un procédé consiste à former. de petites zones d'lm- plantation ionique de diffusion thermique auxquelles on peut fixer des fils d'or. Cependant, ceci introduit des phases supplémentaires indésirables de traitement et on préfère utiliser le procédé suivant qu'on a mis au point. On associe par compression à froid une partie cylindrique d'indium de 0,5 mm, découpée dans un fil d'indium de 0,76 mm de dia- mètre, sur chaque contact d'or 14 et 1-8 du détecteur. On comprime alors des fils de connexion en or de 0,13 mm de diamètre sur les patins d'indium de manière à assurer l'enrobage. La pression né,cessai- re pour ces deux opérations est de l'ordre, de 160 kg par cm2. Il est souhaitable de découper les pastilles juste avant llassociation au détecteur et de découper les fils d'or avec une petite flamme d'un chalumeau oxhydrique de manière que toutes les surfaces coopérantes soutent aussi propres que possible lors de 11 association. Les dispositifs réalisés suivant les techniques décrites précédemment sont excellents à de nombreux égards, en comparaison des détecteurs à couche d'arrt superficielle de la technique antérieure. En particulier, les dispositifs présentent des courants inverses de diode peu importants et peuvent conserver ces courants lorsqu'ils sont exposés à de faibles pressions pendant longtemps. Une fois réalisée, la caractéristique de redressement de la abouche d'arrêt superficielle métal-SiOg-silicium est permanente et ne varie pas en fonction des cycles de température. On obtient dans chaque lot une constance remarquable des caractéristiques des détecteurs. Les expériences montrent une relation entre l'intensité du bruit de scintillement et 11 épaisseur de- la pellicule d'oxyde de silicium. Le bruit a tendance à croitre -lorsque la pellicule a une épaisseur plus grande, et les pellicules dont l'épaisseur dépasse o 500 A présentent un bruit permanent. Pour cette raison, on constate qu'il est souhaitable de limiter l'épaisseur de la pellicule à 400 . La technique décrite précédemment pour la réalisation d'une Jonction p-n d'un détecteur- de radiations s'applique aussi à la production d'une jonction p-n d'un transistor à effet de champ, avec un certain nombre d'avantages importants. Les figures 2 et 3 représentent un transistor classique à effet de champ. La figure 4--repr6sente un exemple de- transistor;a effet de champ selon l'invention. Sur la figure 2, le transistor comprend un substrat 21 en silicium de type p dans lequel est formée une zone 22 de silicium de type n. On réalise cette zone par croissance épitaxiale d'une couche de silicium de type n sur le substrat de type p, puis isolement de la zone 22 par diffusion, de manière à former une étroite zone d'encadrement de type p pénétrant dans le substrat. On réalise à nouveau par diffusion, dans la zone 22, des zones isolées de semi-conducteur extrêmement dopé en formant la source 23t le drain 24 et la grille 25. La source 23 elle drain 24 sont en silicium de type n extrêmemement dopés et la grille 25 est en silicium de type p++ extrêmement dopé. On a représenté une couche superficielle 26 de pàssivation en silice et, après attaque localisée de la couche 26, on dépose des couches métalliques (d'or par exemple) suivant un dessin déterminé pour réaliser les connexions électriques, en 27 pour la source et en 28 pour le drain. On fixe des fils électriques 31 et 32 de manière appropriée sur les couches métalliques. En général, on dispose la zone de type p++ de manière qu'elle recouvre les bords de la zone n, comme représenté en 33 sur la figure 3, de manière à relier électriquement la grille 25 au substrat 21. On réalise la connexion électrique de la grille par l'intermédiaire du substrat en soudant celui-ci à un morceau de plomb revêtu d'or (non représenté). Lors du fonctionnement, le courant est dft aux électrons in jectés par la source 23 vers le drain 24. Ce courant est modulé par l'effet de champ sur le trajet des porteurs du potentiel appliqué à la grille. Ainsi, la grille assure l'appauvrissement de la zone 22 intermédiaire de type n, entre la source et le drain. Les diverses zones réalisées par diffusion ont la configuration générale représentée sur la figure 2. Comme on l'a découvert, on peut réaliser une jonction p-n à couche d'arrêt superficielle de bonne qualité par dépôt d'une couche de SiOx avec une couche d'or superposée, on réalise selon l'invention le dispositif ayant la configuration de la figure i, (lui forme un transistor à effet de champ. Sur la figure 4, après attaque de la couche superficielle^41 de passivation, on dépose une couche 42 de SiOx par le procédé décrit précédemment, de manière à réaliser le détecteur de radiations de la figure 1. De façon analogue, on applique une couche 43 d'or et on fait le contact avec un fil électrique 44. La configuration obtenue forme la grille à jonction p-n du transistor à effet de champ, sous forme d'une jonction à couche d'arrêt superficielle de bonne qualité, La source 44 et le drain 46, ainsi que la zone 47 en silicium de type n, sont analogues aux zones correspondantes de la figure 2. Cependant, pour des raisons qui apparaitront dans la suite, il est préférable que la source 45 et le drain 46 soient réalisés par implantation d'ions et non par diffusion. Avec la configuration de la figure 4, la bande de conduction est très proche de la surface du silicium. A l'aide d'une implantation ionique destinée à la réalisation des zones 45 et 46, on peut rendre celles-ci trèg peu profondes et favoriser encore le rapprochement de la surface ss a bandÇde conduction. Avec cette configuration, on réduit très fortement les capacités entre les électrodes, ce qui permet de donner une petite dimension aux zones de la source et du drain et à la configurQtion de la grille a jonction pnn. En résumé, les prinoipaux aántGges sont une faible capacité à l'entrée, une faible capacité source-drain et une absence de diffusion thermique au niveau de la grille. les deux premiers avantages permettent d'utiliser des fréquences élevées de travail, et il est possible d'utiliser le transistor à effet de champ aux hyperfréquences. le premier et le dernier avantage donnent un dispositif de caractéristiques très constantes, ce qui permet d'accroftre le rendement lors de la rëalisation. L'invention ne se limite pas aux détails de exemple précédent. Par exemple, on peut, sel une variante, dépose d'abord une première couche de métal, par exemple de niobium, puis l'anodiser à travers le substrat de manière à former la couche d'oxyde non saturé. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et repré- sentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Procédé de rdalisation d'un dispositif à semi-condùcteur comprenant une jonction p-n, caractérisé en ce qu'on réalise dans des conditions réglées sur une surface préparée d'un substrat semiconducteur de type n une couche d'un oxyde ou d'un fluorure non sa- turé, ayant une épaisseur déterminée et un degré dtinsáturation tels que la couche peut présenter le phénomène de formation, et on dépose sur ladite couche une couche métallique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche est réalisée par un dépôt à partir de vapeurs. 3. Procédé selon ltune des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'oxyde non saturé est de 1" oxyde de silicium SiOx, de l'oxyde de titane XiOx, de l'oxyde de niobium Nb205, de l'oxyde de tantale Ta205 ou de l'alumine Al2O3. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé sé en ce que le fluorure non saturé est du fluorure de calcium CaP2 ou de magnésium MgF2. 5. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que est l'oxyde non saturé /de l'oxyde de- silicium telwque le rapport des atomes de silicium aux atomes d'oxygène est compris entre 1/1 et 1/1,6. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche-d1oxyde ou de fluorure non saturé est su o o périeure à 200 A et inférieure à 400 A. 7. Procédé selon ltune quelconque des revendications préc- dentes, caractérisé en ce que la couche d'oxyde ou de fluorure est réalisée sur un substrat de silicium. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise de plus l'association par compression à froid de pastilles d'un métal qui se déforme facilement sur les surfaces de contact du dispositif, et on associe par compression à froid des fils électriques de contact aux pastilles métalliques. 9. Procédé selon la revendication 8,caractérisé en ce que les parties métalliques sont en indium. 10. Procédé de réalisation d'un dispositif à semi-conducteur destiné à fonctionner comme un détecteur de radiations à couche d'arrêt superficielle, caractérisé en ce qu'on réalise une jonction p-n sur une face d'un substrat semi-conducteur de type n en mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, on réalise un contact électrique ohmique sur une face du substrat placé en face de celle qui porte la jonction p-n,et on réalise des'bonne xions électriques permettant d'appliquer au dispositif des tensions de travail. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on réalise le contact ohmique par dopage de la face portant le contact de manière à former une zone de type p-i faible résistivité et on dépose une couche conductrice sur cette zone. 12. Procédé selon la revendication 11-, caractérisé en ce que le substrat est en silicium de type n, la matière de- dopage -utili- sée pour réaliser ladite-zone de faible résistivi-té est du phosphore re et la couche conductrice est en or. 13. Procédé de réalisation d'un transistor à effet de champ, caractérisé en ce qu'on réalise la grille à Jonction p-n par un procédé selon la revendication 1. 14. Procédé de réalisation d'un transistor à effet de champ selon la' -reeendicatîon 1-3 caractérisé en ce que lesrzones de conductivité et de type n sont réalisées dans un substrat de type n qui fait partie d'un substrat de type p de plus grande dimension, de manière à former une source et un drain, et on réalise la grille à jonction p-n entre la source et le drain.