Brevet FR2085600A1 — publié le 19711224

La présente invention concerne un dispositif à semiconducteur possédant une électrode qui fait un contact à barrière de Schottky avec une surface d'un corps semi-conducteur. Des dispositifs de diodes à barrière de Schottky sont 5 intéressants comme générateurs d'hyperfréquences et comme commu- —9 v — 12 tateurs rapides (10 à 10 secondes). Cependant, en raison des divers effets aux bords, ces dispositifs ont tendance à fonctionner d'une manière imprévisible et sont sujets à un déclenchement d'avalanche pour des tensions inverses relative-10 ment faibles. Dans la technique antérieure, on a construit des diodes à barrière de Schottky avec des anneaux de garde à jonction p-n, pour éviter les effets de bord et améliorer ainsi les caractéristiques électriques, telles que la tension de claquage 15 par exemple, de ces dispositifs. On a décrit déjà l'emploi d'anneaux de garde pour éviter les effets de bord ,notamment un anneau de garde comprenant un métal, un isolant et un semiconducteur (dispositif MIS). Cependant, la fabrication d'anneaux de garde de la technique antérieure entraîne des étapes coûteu-20 ses et l'on désire donc disposer d'une construction plus simple dans laquelle les effets de bord indésirables sont réduits au minimum. L'invention qui résout ces problèmes se caractérise en ce que l'électrode se présente en surplomb au-delà de la li-25 mite de la surface, d'au moins une longueur de Debye du corps semi-conducteur et d'au moins une profondeur de couche d'inversion dans le corps semi-conducteur pendant son fonctionnement, et elle se caractérise en outre en ce que l'angle a au coin de la surface du corps semi-conducteur en contact avec 30 l'électrode est inférieur à un angle droit. On a découvert qu'apparemment, l'une des causes les plus importantes des effets de bord indésirables dans les dispositifs à barrière de Schottky provient d'une singularité, qu'on peut prévoir, du champ électrique au coin du semi-conducteur 25 au voisinage du bord de l'électrode de Schottky du genre métal, en contact avec le semi-conducteur. On croit que cette singularité est provoquée par l'accumulation de charge électrique 71 07203 2 2085600 au bord de l'électrode. Suivant l'invention., on peut éviter cette singularité en arrangeant le contact de l'électrode en sorte qu'elle surplombe la surface de contact du semi-conducteur en même temps qu'on prend pour l'angle du coin du semi-5 conducteur (c'est-à-dire au bord du semi-conducteur en contact avec cette électrode) une valeur moindre que celle d'un angle droit. De cette façon? on régularise le champ électrique au bord du semi-conducteur, c'est-à-dire qu'on supprime la singularité du champ électrique. 10 Dans une forme de réalisation spécifique de l'invention, un dispositif de diode à barrière de Schottky comprend un corps semi-conducteur de silicium,, de préférence un cristal unique ayant deux surfaces principales parallèles opposées. Sur la première surface principale se trouve disposée une électrode à 15 contact ohmique telle qu'un alliage d'or et de chrome, et sur la seconde surface principale une électrode à barrière de Schottky du genre métal, en surplomb, par exemple en platine. L'angle du coin au bord du semi-conducteur en contact avec l'électrode à barrière de Schottky est égal à environ 45 degrés. 20 On peut obtenir cette forme géométrique en attaquant la matière de manière isotropique, de la première à la seconde surface principale par exemple. Par aillaurs, dans d'autres formes de réalisation de l'invention, on peut utiliser différentes techniques d'attaque cristallographique (c'est-à-dire préférentielle) 25 pour obtenir différents angles de coin, de moins d'un angle droit, au bord du semi-conducteur. Sur les dessins: - La figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif de diode à barrière de Schottky, formé au moyen 3 0 d'une technique d'attaque isotropique, suivant une forme de réalisation spécifique de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective, en partie en coupe transversales d'une étape antérieure de la fabrication du dispositif montré à la figure 1 •, 35 - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un dispositif de diode à barrière de Schottky, formé par une technique d'attaque cristallographique, suivant une autre forme 71 07203 3 2085600 de réalisation spécifique de l'invention ; - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'une étape antérieure dans la fabrication du dispositif montré à la figure 3; 5 - la figure 5 est une vue en coupe transversale du coin d'un dispositif à barrière de Schottky suivant l'invention ; - la figure 6 est une vue en coupe transversale du coin d'un dispositif à barrière de Schottky de la technique antérieure ; et 10 - la figure 7 est un graphique montrant les gammes avantageuses de paramètres de la figure 5, suivant l'invention. Sur les dessins, le symbole H indique une zone de matière semi-conductrice d.ont la conductivité électrique est modérée en raison d'une concentration nette modérée des impure-15 tés donneuses , alors que le symbole N+ indique une sone de matière semi-conductrice dont la conductivité électrique est plus grande que celle de la zone indiquée par ïï en raison d'une concentration nette beaucoup plus forte des impuretés donneuses dans la zone N+ que dans la zone N. 20 la figure 1 est une coupe transversale d'un dispositif de diode à barrière de Schottky 10, suivant une forme de réalisation spécifique de l'invention. Le dispositif 10 comprend un corps semi-conducteur 11, en fait un substrat 11 . 1 de semiconducteur silicium monocristallin, de type de conductivité N+, 25 en même temps qu'une zone 11.2 de type N développée épitaxia-lement. Un contact ohmique au substrat 11.1 du corps 11 est donné par une couche électrode métallique 12, en l'espèce une couche d'alliage de chrome et d'or de forme circulaire, en contact matériel avec la surface principale du bas du corps 11. 30 Un contact à barrière de Schottky avec la zone 11.2 de type N est donné par une couche électrode de genre métallique 13. En l'espèce, cette électrode 13 est une couche de forme circulaire, de platine ou de siliciure de platine, disposée en contact matériel avec la zone 11.2 de type H suivant la surface princi-35 pale du dessus du corps 11, en face de la surface principale du bas et parallèlement à celle-ci. Dans le cas d'espèce, le diamètre de chacune des couches formant électrodes 12 et 13 est 71 07203 4 2085600 d'environ 0,08 à 0,15 mm, tandis que l'épaisseur du corps 11 est d'environ 0,003 à 0,05 mm. Des fils conducteurs 14 et 15 sont attachés aux couches formant électrodes 12 et 13 pour connecter le dispositif à un circuit extérieur. La surface la-5 térale 21 du corps 11 est revêtue d'une couche isolante 16 du genre de l'oxyde de silicium , pour rendre passif le corps semiconducteur 12 ainsi que pour donner, si nécessaire, de la stabilité mécanique à l'électrode 13 placée en surplomb. Dans le cas d'espèce, la couche formant électrode de 10 Schottky 13 a une forme plane, c'est-à-dire que sa partie de surface 13.2 de contact avec la zone N 11.2, en même temps qu'avec sa partie de surface 13.1 en surplomb, forme un plan. Il est important que, suivant l'invention, représentée par le dessin de la figure 1, l'angle a ( au coin du corps semi-15 conducteur 11) de contact avec l'électrode 13 formant barrière de Schottky soit inférieur à 90 degrés, en fait de plusieurs degrés au moins, tandis que l'électrode 13 elle-même doit toujours être en surplomb à la surface principale supérieure du corps 11. La longueur de ce surplomb, indiquée par L à la fi-20 gure 1,, est au moins plusieurs fois plus grande que la longueur de Debye du corps semi-conducteur 11, ce qui représente —5 —3 environ 10 à 10 cm dans le silicium (suivant la concentration de dopage). Au surplus, avantageusement, ce surplomb L est aussi au moins plusieurs fois plus grand que l'épaisseur 25 de la région d'appauvrissement dans la zone 11.2 de type H pour les tensions les plus grandes appliquées sur le dispositif 10 par les conducteurs 14 et 15. Pour un angle de coin a donné de contact de la zone 11.2 de type N avec l'électrode de Schottky 13, l'angle de contact de la surface du bas du substrat 30 11.1 avec l'électrode ohmique 12 dépend de la technique de fabrication employée. Ce dernier angle a été représenté à la figure 1 pour le cas particulier où une solution d'attaque isotropique a été utilisée pour fabriquer le dispositif 10, comme on le décrira à présent. 35 Pour fabriquer le dispositif 10 comme montré à la fi gure 2, un corps de silicium semi-conducteur monocristallin est pourvu des électrodes ohmique et à barrière de Schottky 71 07203 5 2085600 12 et 13 respectivement » par des procédés classiques de dépôt en phase vapeur par exemple. Ensuite, sauf pour un anneau 26 autour de l'électrode ohmique 12, on revêt le corps 11 d'une cire 27 résistant à la solution d'attaque isotropique qu'on 5 utilisera, en l'espèce environ 10$ d'acide fluorhydrique et 90$ d'acide nitrique. En tous cas, on choisit la solution d'attaque de façon telle que les électrodes 12 et 13 lui résistent aussi. On plonge le corps 11' dans cette solution d'attaque jusqu'à ce que le processus d'attaque à travers l'anneau 10 26 atteigne l'électrode 13 avec le surplomb L voulu. On enlève alors le corps de la solution d'attaque, on y projette un revêtement d'oxyde 16 et on procède à la liaison en place des conducteurs 14 et 15. On comprendra qu'on peut faire beaucoup de diodes sem-15 blables au dispositif 10 à partir d'un corps de substrat unique 11', en munissant le corps 11' d'un grand nombre d'électrodes semblables 12 et 13 en même temps qu'un grand nombre d'anneaux semblables 26 dans la cire 27, avant de plonger l'ensemble dans la solution d'attaque. En variantes le revête-20 ment de cire de la surface inférieure du corps 11' peut ne pas exister et la fonction de masquage de cette surface inférieure à l'égard de la solution d'attaque sera assurée automatiquement par le dépôt des nombreuses électrodes 12. En variante de la technique d'attaque isotropique qui 25 vient d'être décrite, on peut utiliser avec avantage l'attaque cristallographique dans la fabrication de dispositifs à barrière de Schottky suivant l'invention» Dans ces techniques, la solution d'attaque exerce son action suivant certains plans cristallographiques préférés du cristal, suivant l'orientation 30 de surface. On peut ainsi commander l'angle a de contact (au point de la région N 11.2) par rapport à l'électrode 13» La figure 3 montre un dispositif de diode à barrière de Schottky 30 formé par une telle technique d'attaque cristallographique. Les électrodes 32 et 33 sont faites des mêmes ma-35 tières que les électrodes 12 et 13 dont il a été question plus haut. Ainsi, l'électrode ohmique 32 forme un contact ohmique avec un substrat 31.1 de type N+, alors que l'électrode de 71 07203 6 2085600 Schottky 33 forme une barrière de Schottky avec une zone épitaxiale 31.2 de type N du corps 31. Les conducteurs de fil 34 et 35 sont attachés aux couches électrodes 32 et 33» respectivement, pour relier le dispositif 30 à un circuit extérieur. 5 Avantageusement; un revêtement isolant du genre oxyde de silicium, 36, à la surface latérale 40 du corps 31» rend passif le dispositif 30 tout en donnant en même temps, si nécessaire, un support mécanique à la partie en surplomb L de l'électrode 32. En l'espèce, l'électrode de Schottky 33 est plane sur toute son 10 étendue, c'est-à-dire que la portion de surface 33.2 de contact avec la zone N 31.2, en même temps qu'avec sa partie de surface 33.1 forme un plan. Il est important que, suivant l'invention, l'angle a (au coin du corps semi-conducteur 31) de contact avec l'électrode de Schottky 33, soit inférieur à un 15 angle droit, alors que l'électrode 33 elle-même doit partout surplomber la surface principale supérieure du corps 31. La longueur de ce surplomb, indiquée par L à la figure 3, est avantageusement au moins aussi grande que la longueur semblable de surplomb L, dont il a été question à propos de la figure 1. 20 L'angle a de contact (au coin de la zone N 31.2) est de 54,7 degrés pour l'orientation particulière(MC) lu corps 31, comme montré à la figure 3 , aussi bien que pour la technique d'attaque particulière qui sera décrite maintenant. Ainsi, sauf pour la valeur de l'angle a, et sauf pour le fait que la surface 25 latérale 21 est courbe dans le dispositif 10 (en raison de l'emploi d'une solution d'attaque isotropique), le dispositif 30 est semblable au dispositif 10. Naturellement, en raison de la courbure et de la symétrie circulaire de la surface latérale 21 du dispositif 10 en comparaison de la rectitude de la sur-30 face latérale 40 du dispositif 30, l'électrode de Schottky 13 a une section transversale légèrement différente de celle de l'électrode de Schottky 33 pour un surplomb L donné, et l'électrode ohmique 32 n'a pas le découpage qui affecte l'électrode ohmique 12. Ainsi, également, pour des sections transversales 35 à barrière de Schottky données, le dispositif 30 a l'avantage d'avoir une électrode de contact ohmique plus grande pour l'électrode 34 que pour l'électrode 14 ; si bien que le dispositif 71 07203 7 2085600 30 a des pertes ohmiques plus faibles à son contact ohmique que ce n'est le cas pour le dispositif 10. Pour fabriquer le dispositif 30, on donne à un corps semi-conducteur 31' formé d'un cristal unique de silicium une 5 orientation cristallographique suivant les directions montrées à la figure 4. On dépose les électrodes 32 et 33 sur ces surfaces, par exemple par dépôt en phase vapeur. Oes électrodes 32 et 33 ont avantageusement leurs côtés latéraux parallèles aux directions (110). le corps 31' est couvert d'un masque 47 du 10 genre oxyde de silicium, sauf en ce qui concerne l'anneau rectangulaire 46, par l'emploi en l'espèce de moyens de techniques photolithographiques classiques. Puis, on plonge le corps 31' dans un bain d'attaque cristallographique et on l'attaque, par exemple avec une solution contenant 15 grammes d'hydroxyde 15 de potassium, 50 millilitres d'eau et 15 millilitres de n-propanol. Ainsi, le corps 31' est attaqué à travers l'anneau 46 suivant ses plans 41 et 41.1 jusqu'à ce que le processus d'attaque atteigne l'électrode 33. Pourvu que l'on ait choisi convenablement les dimensions de cette électrode 33? il y aura 20 un surplomb convenable de grandeur L à l'instant où l'électrode 33 sera atteinte par la solution d'attaque. Ensuite, on retire le corps de la solution d'attaque, on projette sur la surface latérale 40 un revêtement d'oxyde 36 et on lie en place les fils conducteurs 34 et 35 en achevant ainsi le dispositif 25 30 montré à la figure 3. On comprendra que l'on peut fabriquer beaucoup de diodes semblables au dispositif 30 à partir d'un corps unique 31' en munissant le corps 11' de beaucoup d'électrodes semblables 32 et 33 et d'anneaux 46 avant de le plonger dans la solution 30 d'attaque. En variante, on peut remplacer le masque 47 par les nombreuses électrodes 32 convenablement arrangées à la surface du bas du corps 31'. On comprendra que l'on peut utiliser beaucoup d'autres genres d'électrodes, de masques , de semi-conducteurs et de 35 solutions d'attaque en diverses combinaisons, en plus du choix particulier de matières qui a été décrit ci-dessus. La figure 5 montre une vue en coupe transversale d'un 71 07203 8 2085600 coin d'un dispositif à barrière de Schottky dans le cas plus général, suivant l'invention. Un semi-conducteur 51 est limité en un coin par un isolant 58 par une électrode à barrière de Schottky 53. Le rapport de la constante diélectrique 5 £ q de l'isolant 58 à la constante diélectrique £. ^ du semiconducteur 51 est un paramètre important à utiliser dans la description de l'invention. On comprendra que £.q et £^ se rapportent aussi aux constantes diélectriques du revêtement de genre oxyde 16 ou 36 et de la zone semi-conductrice de type H 10 11.2 et 36.2 des dispositifs 10 ou 30 respectivement, décrits ci-dessus. Comme montré à la figure 5» l'angle de coin du contact du bord du semi-conducteur 51 avec l'électrode 53 est indiqué par a, tandis que l'angle de coin de cette électrode elle-même 15 est indiqué par p. Il est évident que pour tout surplomb de l'électrode 53 par rapport au semi-conducteur 51» P est un angle obtus et que pour une électrode parfaitement plane 53» 6 est égal à 71 radiants. Dans la technique antérieure» eomme représenté à la figure 6» le semi-conducteur 51'» l'électrode 20 53' et l'isolant 58 sont arrangés de telle façon que l'angle a soit égal à"H, tandis que l'angle p est égal à 0. La figure 7 est un graphique qui montre les gammes de valeurs de a (pour |3 et ^donnés) dans lesquelles le champ électrique est régulier (non singulier) dans le semi-conducteur 25 51 près de l'électrode 53. On obtient les différentes courbes de la figure 7 en calculant les champs électriques dans le semi-conducteur 51 en réponse à une tension appliquée à l'électrode 53. Ces courbes séparent le cas singulier des cas non singuliers du champ électrique dans le semi-conducteur 51 au 30 voisinage du coin du semi-conducteur 51 et de l'électrode 53» c'est-à-dire à l'endroit où les angles a et p sont définis, comme à la figure 5. Pour déterminer la gamme des valeurs non singulières de a pour des valeurs données de p et de ^, c'est-à-dire des valeurs de a pour lesquelles le champ électrique dans 35 le semi-conducteur ne présentera pas de singularités dans le voisinage de son coin» on trace une ligne verticale 60 parallèle à l'axe des a, pour la'valeur donnée de p. A titre d'exemple, 71 07203 9 2085600 la valeur donnée de t]_ a été choisie égale à 0,1 correspondant à une courbe 61 de la figure 7. La ligne verticale 60 coupe la courbe 61 correspondant à la valeur donnée deen deux points 62 et 63 qui correspondent à a^ et à a^. La gamme des valeurs 5 de a comprises entre et fournira les champs non singuliers dans le semi-conducteur 51, comme on le veut dans l'invention. On observera que pour- la plupart des dispositifs à semiconducteurs qui ont une importance pratique, comme indiqué à la figure 7, est inférieur à l'unité. En outre, pour toutes 10 les valeurs de inférieures à l'unité et pour p = "H., toutes les valeurs de a inférieures à ^ et supérieures à 0 donnent des champs électriques non singuliers dans le semi-conducteur 51. On comprendra que dans les cas où la ligne verticale 60 ne coupe pas la courbe pour un l\ donné, il n'y aura pas (pour 15 les valeurs données de p et de ) de valeurs de a pour lesquelles le champ dans le semi-conducteur 51 soit régulier (non singulier) au voisinage de l'électrode 53. Bien que la présente invention ait été décrite en détails pour une matière semi-conductrice particulière, avec des 20 matières d'électrodes particulières, les spécialistes comprendront qu'ils pourront mettre l'invention en pratique avec des matières autres que celles qui ont été mentionnées. Par exemple, l'électrode ohmique sur le semi-conducteur au silicium peut être composée de nickel ou d'aluminium au lieu d'être en allia-25 ge de chrome et d'or ; de plus, l'électrode de Schottky en contact avec le semi-conducteur de silicium peut être en or ou en molybdène au lieu d'être en platine. Enfin,on peut utiliser d'autres matières semi-conductrices en combinaison avec des électrodes à barrière de Schottky ; par exemple, on peut utili-30 ser du germanium comme semi-conducteur avec une électrode de Schottky en palladium ou de l'arséniure de gallium comme semiconducteur avec une électrode de Schottky en or.En plus, au lieu d'utiliser le revêtement d'oxyde 16 ou 36, on peut utiliser soit l'atmosphère ambiante,soit un semi-conducteur semi-isol-35 lant,c'est-à-dire qui a une résistivité plus grande et une constante diélectrique plus faible que le corps 11 ou 31 respectivement, en donnant ainsi la possibilité d'utiliser l'invention dans des circuits intégrés. 71 07203 2085600 REVENDICATIONS 1Dispositif à semi-conducteur ayant une électrode qui fait un contact à barrière de Schottky avec une surface d'un corps semi-conducteur, caractérisé en ce que l'électrode est 5 en surplomb au-delà de la limite de la surface, d'au moins une longueur de Debye du corps semi-conducteur et d'au moins une profondeur de couche d'inversion dans le corps semi-conducteur pendant son fonctionnement, et caractérisé encore en ce que l'angle du coin (a) de la surface du corps semi-conducteur en 10 contact avec l'électrode est inférieur à un angle droit. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une couche électrode à contact ohmique sur une seconde surface principale du corps semi-conducteur, opposée à la première surface principale. 15 3.- Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un revêtement isolant disposé sur une surface latérale du corps semi-conducteur de façon contiguë par rapport à la première surface principale. 4«- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé 20 en ce qu'il comprend une région de semi-conducteur semi- isolant, disposée sur une surface latérale du corps de façon contiguë* par rapport à la première surface principale. 5.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est essentiellement de sili- 25 cium et en ce que l'orientation de la première surface principale est (100). 6.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle a est inférieur à un angle droit, de plusieurs degrés au moins. 30 7.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la couche électrode en surplomb est disposée en contact matériel avec la première surface principale et forme une barrière de Schottky en cet endroit, l'angle a du coin du corps semi-conducteur en contact avec la couche électrode étant ^ inférieur à un angle droit et se trouvant dans la gamme non singulière par rapport au champ électrique dans le semiconducteur .