Brevet FR2132553A1 — publié le 19721124

L'invention concerne les structures semiconductrices du type mésa, et plus spécialement les diodes à jonction de ce même type dont la figure 1 représente un exemple de réalisation classique. Une telle diode à jonction qui comporte un empilement de trois couches semiconductrices successives 1, 2 et 3 sur la figure 1, doit son nom de mésa (table) à la forme particulière que l'on donne à cette diode lors de sa découpe à partir d'une plaquette de semiconducteur. Sur Sur la flgure 1, la couche 1 est du type n , la couche 2 du type n et la couche 3 du type p . (Les zones n ou p ont un dopage en impuretés de l'ordre de 1015 Atomes/cm3 alors que les zones n+ et p+ ont une concentration en impuretés beaucoup plus élevée, de tordre de 1020 Atomes/cm3 par exemple).Trois autres variantes de cette méme diode sont possibles, dans lesquelles les couches 1, 2 et 3 sont respectivement constituées par des zones semiconductrices p+, n et n+ ; n+, p et p+ ; pt, p et n+. Ces diodes du type mésa sont en général obtenues en- #rand- nombre (1000 par exemple) à partir d'une rondelle de silicium unique sur laquelle on les grave localement de façon connue; on les détache ensuite de la rondelle de silicium originel par attaque chimique du silicium, ce qui libère alors chacune des "puces" élémentaires constituant chaque diode. Ce type de diode est particulièrement avantageux pour les emplois dans le domaine des hyperfréquences Qù leur utilisation tend à se généraliser, car leur forme particulière leur confère des propriétés très intéressantes, à savoir principalement l'absence d'effet de bord et l'absence d'effets dûs aux rayons de courbure des interfaces entre les zones de type différents comme c'est le cas dans les structures du type planar. Malheureusement un inconvénient important existe en contrepartie de ces avantages: c'est celui de la difficulté que l'on éprouve à fsxer sur une diode ayant cette forme les prises de contact nécessaires à la réalisation de ses connexions avec les circuits extérieurs.Le plus souvent, cette prise de contact s'effectue du côté de la mésa par le procédé de thermocompression qui consiste à fixer un conducteur sur les électrodes par compression à chaud. Cette méthode est 5( icate dans son application pratique car les surfaces en cause peuvent être très petites, et elle peut conduire d'autre part à des difficultés dans l'utilisation car les contacts ainsi réalisés ne sont pas toujours d'une arande fiabilité dans le temps. Dans les structures semiconductrices du type planar, bien connues des spécialistes, on a résolu ce problème à l'aide d'une technique de connexion par micropoutres métalliques, plus connue généralement sous sa terminologie anglo-saxonne de "beam lead".On rappellera d'abord ici l'essentiel de cette technique connue en se référant aux figures 2 et 3 qui montrent une connexion du type "beam lead" appliquée à une diode à jonction du type planar. La figure 3 est une vue élévation de la coupe selon X X' du dispositif de la figure 3. La jonction proprement dite visible sur la figure 3 comporte les trois couches 1, 2 et 3 qui sont semiconductrices de types respectifs n+, n, et p+. Une couche de silice 4 subsiste à la surface de la plaquette de silicium 5 et a été ouverte en 6 et 7 pour permettre d'atteindre respectivement la zone 3 de type p+ et la zone 7 de type n+. Cette dernière ouverture 7 a été utilisée pour introduire par diffusion une zone 8 de type n+ et dont le dopage est suffisamment élevé pour court-circuiter localement la couche 2 de type n et venir prendre directement contact avec la couche 1 inférieure de type n+. Sur la jonction proprement dite ont été déposées les micropoutres de connexion 9 et 10 constituant respectivement l'anode et la cathode et dont les formes particulières sont visibles en plan sur la figure 2.On voit sur cette figure 2 que la micropoutre 10 a une forme de fer à cheval correspondant à celle de l'ouverture 7 par laquelle on a fait diffuser-.la zone 8 de conductibilité n+. Les micropoutres 9 et 10 sont métalliques et constituées le plus souvent par des métaux tels que le chrome, l'or, l'argent, le platine et le titane. La réalisation pratique de la fixation de ces micropoutres intervent selon différentes méthodes possibles mais on retrouve dans toutes ces méthodes essentiellement la succession des opérations suivantes: - par photogravure et attaque chimique on commence par retirer la couche de silice 4 sur les surfaces telles que 7 de chaque diode gravée sur la plaquette de silicium 5; - sur les zones telles que 7 on fait une diffusion d'impuretés pour doper la couche 2 immédiatement inférieure d'impuretés de type n+ de façon à atteindre le contact direct avec la couche inférieure 1; - on retire les zones de silice telles que 6; - on effectue la diffusion dans ces zones pour obtenir les zones p+; - on redésoxyde les zones 6 et 7; - on métallise à l'aide de l'un des métaux de la liste rappelée ci-dessus toute la surface de la plaquette 5;; - on dépose sur toute la surface une couche de résine photosensible; - par photogravure on enlève cette résine aux endroits sur lesquels on veux fixer les micropoutres 9 et 10 ultérieurement; - on effectue un dépit électrolytique épais (de l'ordre de 50 microns) pour gonfler les poutres qui acquièrent alors un relief important par rapport à la surface; - on enlève la résine et on attaque par voie chimique le métal qui s'était jusqu'à maintenant trouvé protégé par celle-ci; il en résulte une apparition des poutres en relief; - on effectue une métallisation sélective de la face inférieure de la plaquette de silicium 5, le choix des endroits métallisés étant fonction des résultats de découpe que l'on veut obtenir durant l'ultime phase qui va suivre; cette métal- lisation sélective de la face inférieure est réalisée de préférence à l'aide d'alliages de métaux nobles, tels que nickel-or, chrome-or, ou platine-or; - par une attaque chimique à l'aide d'un mélange d'acides nitrique et fluorhydrique, on attaque par la face inférieure la plaquette de silicium 5, ce qui détache les différentes "puces" constituant les diodes élémentaires. Cette technique de prise de contact par micropoutres de connexion a donné d'excellents résultats, dans les structures du type "planar" tant sur le plan de la facilité de réalisation, de la compacification possible des éléments semiconducteurs que de la fiabilité des dispositifs obtenus; elle n'a pu malheureusement jusqu'à ce jour être utilisée dans la fabri cation des diodes à jonction du type mésa, en raison même des différences importantes de structures inhérentes à la forme particulière de ces dernières. La présente invention a précisément pour objet un procédé de réalisation de mlcropoutres de connexion sur diodes à jonction du type mésa, qui permet de pallier les inconvénients des procédés de fixation de connexions par thermocompression. Ce procédé est essentiellement caractérisé en ce que, après la réalisation des diodes par dépôt épitaxial des couches semiconductrices dopées sur une plaquette de substrat monocristallin et la taille des jonctions obtenues, on recouvre la totalité de la surface de cette plaquette d'une couche de verre, on pratique un rodage plan de cette couche de verre jusqu'à faire apparaitre la couche supérieure de chaque diode mesa, puis, de façon connue, on fixe les micropoutres de connexion à la surface et l'on détache les diodes unitaires de la plaquette. Il est essentiel pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention que la zone située sur le dessus de la surface du mesa (référence 3 de la figure 1) soit suffisamment épaisse pour que, lors de l'opération de rodage mécanique de la couche de verre déposée, une relative imprécision de quelques microns sur la profondeur de ce rodage ne soit pas critique; il est également très important pour la reproductibilité des constantes électriques de chaque diode que cette même zone ait une concentration en impuretés constante sur son épaisseur. (La résistance de contact de la connexion varie en effet en fonction de cette concentration) . Ces deux conditions nécessitent pratiquement qu'au moins cette dernière zone semiconductrice soit obtenue par épitaxie c'est-à-dire par croissance monocristalline en phase vapeur, à l'exclusion de tout procédé de dopage par diffusion: La méthode de dépôt épitaxial a en effet cet avantage très important en l'occurrence de permettre le contrôle rigoureux du taux d'impuretés que l'on dépose dans la couche monocristalline en même temps que celle-ci se forme. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le dépôt de verre que l'on fait à la surface de la plaquette de substrat morocrlstallln est réalisé par dépôt d'une solution de verre en poudre très fine, à l'aide par exemple d'un simple pinceau, ou bien par électrophorèse puis par cuisson au four dans des conditions tout à fait analogues à celles que l'on utilise pour réaliser une couche d'émail. Selon une autre caractéristique du procédé objet de la présente invention, le rodage de cette couche de verre se fait par des procédés à la fois mécaniques et chimiques. Parmi les avantages de la présente invention, on peut également remarquer la possibilité qu'il offre de placer les micropoutres à volonté soit du même côté de la diode soit de part et d'autre de celle-ci. Enfin, on peut facilement par le procédé objet de l'invention réaliser des montages de diodes mésa à volonté en série ou en parallèle, puisqu'il suffit de réaliser les jonctions par micropoutres selon le schéma choisi et de découper "les puces 1I dans le bloc de substrat monocristallin en conséquence De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de La description de plusieurs exemples de mise en oeuvre du procédé de réalisation de micropoutres de connexion, des ci iptions qui seront laites en se référant aux figures 4 à 9 sur lesquelles:: - la figure 4 montre une plaquette de substrat monocristaîlin 5, sur laquelle on a déjà gravé, par des procédés en soi connus, un certain nombre dé Donctlons du type mésa; - la figure 5 montré l'état de cette plaquette après dépôt selon l'invention diune couche de verre uniforme à la surface; - la figure 6 montre ~-état de cette même plaquette après rodage de la couche de verre de la figure 5; - les rigures -7, 8, 9 et 10 montrent des-exemples de diodes à jonction du type mésa équipées de leurs micropoutres de connexion obtenues selon le procédé objet de l'invention. Sur la figure 4 on volt une partie de la plaquette de substrat monocristallin 5 sur laquelle on a réalisé par des procédés connus trois diodes à jonction du type mésa référencées respectivement 11, 2 et 53. Dans la structure décrite sur la figure 4, on reconnaît les trois couches 1 (semiconductrice du type n; 2 semiconductrice du type n) et 3 (semiconductrice du type po toutes trois obtenues par dépôt épitaxial. La plaquette 5 est par exemple en silicium ou en arseniure de gallium. Selon l'invention, on dépose alors à la surface de la plaquette 5 une solution de verre en suspension (verre de préférence ayant un coefficient de dilatation accordée au matériau semiconducteurj que l'on fait ensuite cuire au four pour obtenir comme représenté sur la figure 5 une couche 14 de verre qui recouvre toute la surface L'étape suivante du procédé objet de l'invention, consiste en un rodage de cette surface de verre 14 par des procédés mécano-chimiques on soi connus et qui n'importent pas à l'invention, de façon à parvenir à une structure telle que celle représentée sur la figure 6 et dans laquelle la couche supérIeure 3 de chacune des diodes 11, 12 et 13 affleure à la surface après avoir été éventuellement très légèrement rôdée.Ce rodage n'est pas critique puisque, conformément à l'invention le dépôt de la couche supérieure 3 a été réalisé par croissance épitaxiale, ce qui a permis d'en contrôler a la fois i"épaise et la concentration en impuretés de type de façon rigoureuse Cette concentration est donc constante, ce qui permet d'avoir un bon contact ohmique lorsque l'on pose ultérieurement les micropoutres et de reproduire avec certitude les mêmes conditions de contact électrique d'une jonction à l'autre. Il est alors facile lorsque iXon est parvenu dans l'état représenté sur la figure 6, d'effectuer un dépôt de mmicropoutres de connexion du type "beam iead" selon le procédé classique connu, puisque la structure sur laquelle on opère alors a une constitution parfaitement plane qui l'apparente tout à tait aux surfaces des structures du type planar Les possibilités qu'otrtent l'application du procédé objet de l'invention sont remarquables par leur variété ainsi qu'en témoignent quelques exemples de réalisation de diodes à #onction du type mésa, représentés sur les figures 7, 8, 8 bis et 9. Sur la figure 7, la diode il a été munie de ses micropoutres de connexions 9 et 1O, situées dans cet exemple respectivement de part et d'autre de la "puce" constituant la #onction; dans l'exemple des figures 8 et 9, des zones ont été crées par diffusion sélective surpassant en concentra- tisons les zones P et atteignant le substrat, cela préaiab-le-- ment à l'attaque des mesas et deux micropoutres 9 et 10 ont pu btre branchées du même côté de la jonction 11; enfin, la figure 10 est relative à une réaiisation où une ou plusieurs diodes sont montées électriquement en parallèle, les micropoutres 9 et 10 étant communes à plusieurs d'entre elles situées côte à côte et obtenues par conséquent en même temps lors de la fabrication. On peut de même effectuer une mise en série, ou une mise en série parallèle de plusieurs diodes: connexion 10 de la figure 8 reliée à la connexion 9 d'une diode adjacente, etc. Enfin, le procédé selon 1 invention s'applique d'une façon générale à toute structure du type mésa, notamment par exemple à des transistors d'un tel type= REVENDICATIONS l0j Procédé de réalisation de micropoutres de connexion sur diodes à jonction du tvpe mésa, caractérisé en ce que, après la réalisation des diodes par dépôt épitaxial des couches semiconductrices dopées sur plaquette de substrat monocristallin et la taille des 3ponctions obtenues, on recouvre la totalité de la surface de cette plaquette d'une couche de verre, on pratique un rodage plan de cette couche de verre jusqu'à faire apparaître la couche supérieure de chaque diode mésa, puis, de façon connue, on fixe les micropoutres de connexion à la surface et l'on détache les diodes unitaires de la plaquette, 20) Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dépit de verre est réalisé par cuisson au four d'une solution de poudre de verre en suspension dans un liquide préalablement déposée au pinceau. 3 , Procédé selon la revendi-cation 1, dans lequel le rodage du verre se fait par un procédé mécanochimique. 4bj Diode à jonction du type mésa, caractérisée en ce que ses prises de contact sont des micropoutres obtenues par le procédé de la revendication 1. 5t) Diode à jonction du type mésa selon la revendication 4#, caractérisée en ce que la micropoutre d'anode et la micropoutre de cathode sont fixées toutes deux sur la face active de la jonction. 6 ) Diode à jonction du type mésa selon la revendication 4, caractérisée en ce que la micropoutre d'anode et la micropoutre de cathode sont fixées de part et d'autre de la "puce" constituant la diode 7"1 Application du procédé selon la revendication 1 à des structures de transistors du type mesa. 8') Structure de transistor du type mésa obtenue selon la revendication 7