Brevet FR2120037A1 — publié le 19720811

212Û037 La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un composant à semiconducteurs comportant une ou plusieurs jonctions pn, et notamment d'une diode de puissance ou d'un thyristor, avec un substrat semiconducteur en silicium et des contacts métalliques pour l'arrivée et 5 le départ du courant électrique, ledit composant étant stable dans le temps, même à des températures de service élevées. Les composants à semiconducteurs ayant un substrat en silicium connaissent une vaste diffusion, due notamment à leur fiabilité élevée, même en service continu. 10 Dans ces composants à semiconducteurs, les contacts d'anode, de cathode et le cas échéant, dans les composants à semiconducteurs au silicium commandés, de l'électrode de commande sont réalisés en déposant sur le substrat semiconducteur, par évaporation ou réaction chimique par exemple, des couches métalliques qui sont partiellement reliées à ce 15 substrat par un processus d'alliage. Pour ce faire, les couches d'alumi nium, or, or avec un faible pourcentage de dopants, tels qu'antimoine, ou d'autres métaux et dopants sont portées avec le substrat semiconducteur à une température comprise entre le point eutectoide et le point de fusion du silicium. Le silicium fond ainsi sous la couche métallique, jusqu'à 20 une profondeur qui dépend de la température et de l'épaisseur de la couche métallique; il se redépose sous forme monocristalline pendant le refroidissement ultérieur, avec incorporation simultanée d'une partie des atomes métalliques et le cas échéant des dopants dans le réseau du silicium. 25 A la suite du processus de connexion, les composants au silicium subissent un traitement superficiel, visant à les protéger au maximum contre l'influence de l'atmosphère environnante. Ils sont ensuite montés dans des boîtiers étanches au vide, remplis d'un gaz inerte. Les composants à semiconducteurs ayant un substrat en silicium et 30 produits de la façon précitée ont généralement un fonctionnement fiable tant que la température de service ne dépasse pas 150°C. Au-delà d'environ 150°C, on constate par contre souvent des limitations de fiabilité et des défaillances des composants à semiconducteurs. Ce résultat s'explique notamment par le fait que la liaison entre le substrat semiconducteur et 35 le métal de contact est supprimée et que le passage du courant est per turbé entre la connexion et le substrat semiconducteur. En particulier, dans le cas très fréquent d'emploi d'or ou d'un alliage or-dopant comme 71 ^6826 2 2120037 métal de contact sur une plaquette de silicium, il est apparu que la couche d'or se détache de la plaquette de silicium aux températures de service supérieures à 150°C.environ. On peut supposer que le décollement de la couche d'or sur le silicium 5 s'explique comme suit : sur sa surface recouverte par le métal de contact, le silicium forme une couche d'oxyde, qui apparaît d'abord sur le pourtour, puis se déplace sous le métal pour couvrir progressivement toute la surface. L'or utilisé comme matériau de contact n'adhère plus sur une telle couche d'oxyde de silicium mais s'écaille, ce qui entraîne une interruption 10 du contact et la défaillance du composant à semiconducteurs. Cette oxydation, résultant d'une réaction du silicium avec l'oxygène atmosphérique, l'humidité ou des substances libérées par les corps utilisés pour le recouvrement, ne devient sensible qu'aux températures supérieures à 150°C environ. Les connexions silicium-métal de contact sont 15 donc particulièrement menacées quand des températures de service plus élevées doivent être prévues, jusqu'à 200°C environ, comme dans le cas de semiconducteurs de puissance résistant à une température élevée. On connaît des procédés qui cherchent à éviter cet inconvénient comme suit : après leur montage dans un boîtier, .mais avant l'obturation de ce 20 dernier, les composants à semiconducteurs sont mis sous vide et chauffés, puis refroidis sous vide ou dans un gaz inerte sec, les boîtiers étant immédiatement après obturés avec étanchéité au vide. Ces procédés assurent certes la sécurité de fonctionnement et la conservation des caractéristiques électriques, même pendant des périodes 25 de service prolongées, mais exigent un appareillage de fabrication impor tant, car les composants à semiconducteurs au silicium doivent être logés dans un boîtier hermétique. Il est alors nécessaire de mettre le boîtier sous vide avant son obturation, puis de le chauffer pendant quelques heures sous vide, à 30 300°C environ, afin d'éliminer totalement les traces d'humidité ou d'autres corps volatils des parois internes du boîtier ou des pièces se trouvant dans le boîtier. Cette opération exige beaucoup de soin, de même que le remplissage ultérieur du boîtier avec un gaz inerte parfaitement sec. Le remplissage doit se faire dans une enceinte fermée, également remplie 35 par le gaz inerte sec. Le boîtier doit demeurer hermétique pendant toute la durée de vie du composant. Seuls des matériaux interdisant en toute certitude la diffusion d'humidité, même pendant des périodes prolongées 46826 3 2120037 de service ou de stockage sur toute la plage de température de stockage admissible, soit d'environ -50 à 200°C, peuvent donc être utilisés pour les pièces du boîtier. L'emploi de matières plastiques, souhaitable en soi, est par suite interdit, car une diffusion d'humidité doit toujours être prévue dans ce cas. L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un composant à semiconducteurs, comportant une ou plusieurs jonctions pn, et notamment d'une diode de puissance ou d'un thyristor, avec un substrat semiconducteur en silicium et des contacts métalliques d'arrivée et de départ du courant électrique, ledit composant fonctionnant de façon sure et sans risque de décollement des contacts métalliques sur la surface du silicium, même aux températures de service élevées sur une plage d'environ 150 à 200°C, mais dont la fabrication exige un appareillage moins important que les procédés connus et permet aussi l'emploi pour le boîtier de matériaux moins coûteux, tels que les matières plastiques. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la surface libre du contact métallique du substrat semiconducteur est recouverte de tous les côtés, au moins dans la zone limite de jonction avec la surface du semiconducteur, par un autre métal dont l'oxyde est stable à la température de service et forme un composé stable avec l'oxyde du substrat semiconducteur. La couche métallique supplémentaire selon l'invention protège efficacement contre tout décollement de la couche de contact métallique sur la surface du semiconducteur. On peut admettre qu'en présence d'oxygène ou de composés dégageant de l'oxygène, tels que l'eau, il se produit une oxydation du métal déposé sur le métal de contact. La surface du substrat semiconducteur est également oxydée, sur le pourtour de la couche protectrice, de sorte que la surface du semiconducteur et la surface de la couche métallique protectrice sont recouvertes par des couches d'oxyde ou le cas échéant d'hydrates . On peut admettre en outre que les oxydes du substrat semiconducteur forment avec les oxydes du métal correctement choisis une combinaison intime, formant une barrière de diffusion qui interdit un nouvel apport d'oxygène ou de composés oxygénés sur le substrat semiconducteur, et notamment sous la couche de contact métallique.. L'oxydation cesse par suite à une faible profondeur dans le cas du procédé selon l'invention, 46826 4 2120037 alors que dans le cas des couches de contact métalliques connues, telles qu'or ou composés d'or sans la couche métallique supplémentaire, l'oxygène peut réagir librement avec le silicium, même sous la couche de contact métallique, de sorte que cette dernière se détache de l'oxyde de silicium formé et permet ainsi la progression constante d'une couche d'oxyde ou le cas échéant d'hydrate sur toute la surface du semiconducteur, à partir de la surface recouverte par le contact métallique. Un avantage du procédé selon l'invention par rapport aux solutions connues réside dans la simplicité de conservation sûre du contact électrique. Le procédé selon l'invention permet donc de renoncer à un boîtier hermétique et supprime en outre les opérations de chauffage du dispositif avant obturation, qui sont coûteuses et longues, et présentent de plus un risque de détérioration des substrats semiconducteurs par suite de la température élevée nécessaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous et du dessin annexé sur lequel : la figure unique représente le schéma d'un exemple de réalisation possible. La fabrication d'un contact, de cathode par exemple, se fait en déposant sur la surface 1 d'une plaquette se'miconductrice 2, en silicium par exemple, une couche métallique 3 par évaporation ou dép8t d'un film métallique. Les métaux précieux, tels qu'or, argent ou platine, se prêtent à l'emploi pour cette couche. Le contact d'anode est constitué par une succession habituelle sur la plaquette semiconductrice de couches d'aluminium 4 et de molybdène 5 par exemple. L'épaisseur de couche des métaux de contact est d'environ 1 à 100 jim après le dépôt. ,, Lorsqu 'lyp. -fype de conduction déterminé du substrat semiconducteur doit être produit simultanément, lors du dép3t et de l'alliage du métal de contact, les dopants sont déposés avec les métaux de contact, sous forme d'un alliage par exemple. On utilise un alliage or-antimoine pour obtenir par exemple sur du silicium un contact en or et un dopage du silicium par de l'antimoine. Au cours d'une phase suivante du procédé, une seconde couche métallique 6 est déposée selon l'invention sur le contact métallique 3, de préférence par évaporatlon, dép3t galvanique ou d'une autre façon. L'épaisseur de cette couche est d'environ 1 à 2 jxm et son diamètre est supérieur d'environ 1 à 2 mm, avec toutefois un minimum d'environ 0,2 mm, au 71 46826 5 2120037 diamètre du métal de contact 3, de sorte que ce dernier est recouvert latéralement sur 0,1 mm au moins, dans une zone 7. Cette couche métallique 6 doit s'allier à l'oxygène et la combinaison métal-oxygène résultante doit former avec un oxyde éventuel du silicium une combinaison stable jusqu'à 300°C environ. Il est apparu qu'une couche de chrome se prête particulièrement bien à cet emploi. Recouvrant le métal de contact, elle se comporte en barrière de diffusion, qui interdit par exemple à l'humidité ou à l'oxygène atmosphérique provenant du pourtour d'oxyder le silicium sous le métal de contact. L'épaisseur totale du métal de contact 3, en or par exemple, et du revêtement métallique 6, en chrome par exemple, doit être suffisamment grande pour que la couche ne soit pas poreuse, afin d'interdire une diffusion d'oxygène ou d'oxydes sous le métal de contact, à partir de la surface. L'épaisseur totale des deux couches doit donc être supérieure à 3 ji.m environ. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé et au dispositif qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. 71 46826 6 2120037 Revendications 1. Procédé de fabrication d'un composant à semiconducteurs, comprenant une ou plusieurs jonctions pn, et notamment d'une diode de puissance ou d'un thyristor, avec un substrat semiconducteur en silicium et des con- 5 tacts métalliques pour l'arrivée et le départ du courant électrique, ledit procédé étant caractérisé en ce que la surface libre du contact métallique sur le substrat semiconducteur est recouverte de tous les côtés, au moins dans la zone de la jonction avec la surface du semiconducteur, par un autre métal dont l'oxyde est stable à la température de 10 service et forme un composé stable avec l'oxyde du substrat semiconduc teur . 2. Procédé selon revendication 1, caractérisé par l'emploi de chrome comme métal de recouvrement du contact métallique. 3. Procédé selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que 15 la couche de métal recouvrant le contact métallique a une épaisseur d'environ 0,5 à 2 iim. 4. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le métal recouvrant le contact métallique est en saillie de plus de 0,1 mm par rapport à ce dernier, sur tous les côtés. 20 5. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le métal recouvrant le contact métallique est en saillie par rapport à ce dernier d'environ 1 à 2 mm, sur tous les côtés. 6. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par l'emploi d'or comme métal de contact. 25 7. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par l'emploi d'un alliage d'or comme métal de contact. 8. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par l'emploi d'un alliage or-antimoine comme métal de contact. 9. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé 30 en ce que la couche du métal de contact a une épaisseur de 1 à 100 jim. 10. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'épaisseur totale du métal de contact et du métal recouvrant ce dernier est supérieure à 3 jim environ. 11. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé 35 par 1'évaporation du métal recouvrant le contact métallique. 12. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le dépôt galvanique du métal recouvrant le contact métallique.