Brevet FR2124340A1 — publié le 19720922

La présente invention concerne un procédé permettant la fabrication d'un dispositif semiconducteur comportant une diode capacitive semiconductrice, procédé suivant lequel, sur un substrat peu ohmique d'un premier type de conduction, 5 est élaborée une couche du premier type de conduction, dont la résistivité est supérieure à celle du substrat, après quoi un Clément de dopage définissant un deuxième type de conduction est diffusé dans la.surface semiconductrice pour former ainsi une jonction p-n. 10 Par l'expression "diode dont la capacité varie fortement et dont la caractéristique capacité-tension a une allure exponentielle", il y a lieu d'entendre ici une diode susceptible d'être utilisée dans les circuits d'accord des radiorécepteurs à gamme d'ondes moyennes et des réceotaurs 15 accordés capacitivenent, utilisés pour la même gamme. Outre la nécessité d'un grand écart en concentration de dopage du corps semiconducteur et de ce fait d'une forte variation de capacité, de telles diodes capacitives doivent encore présenter une caractéristique capacité-tension ayant P.O une allure exponentielle aussi précise que possible. Afin de permettre la fabrication de diodes capacitives qui respectent raisonnablement ces exigences, il est déjà connu (voir le brevet de la République Fédérale d'Allemagne N° 1.614.775) de partir d'un corps semiconducteur, d'un premier 25 type de conduction, sur lequel sont élaborées des première et deuxième couches épitaxiale du premier type de conduction, la conductibilité de la couche épitaxiale, limitrophe du corps semiconducteur ,étant inférieure à celle de la deuxième couche épitaxiale, tandis que dans la première couche épitaxiale sont diffu-30 sées des impuretés provenant de la deuxième couche épitaxiale dans laquelle est élaborée une zone de deuxième type de conduction, cette zone formant la jonction p-n de la diode de capacité» Pour la fabrication de diodes capacitives à jonction p-D très abrupte, il est en outre connu (voir le brevet de la 35 République Fédérale d'Allemagne N° 1.94-7.300) d'élaborer une couche fortement ohmique du premier type de conduction sur un substmt peu ohmique du premier type de conduction et de former épitaxiale-ment sur cette couche une autre couche fortement dopée du deuxième type de conduction à l'aide d'une couche passivante qui par 72 03275 2 2124340 décapage est munie d'une ouverture, la couche du deuxième type de conduction comportant en outre des éléments de dopage définissant le premier type de conduction. Lorsque le corps semiconducteur ainsi obtenu est chauffé, les éléments de dopage 5 définissant le premier type de conduction diffusent hors de la couche formée épitaxialement et pénètrent dans la couche semiconductrice sous-jacente du premier type de conduction. Toutefois, on a constaté que la mise en oeuvre de ces procédés connus ne permet pas la fabrication d'une 10 diode capacitive ayant une étendue de variation de capacité et une caractéristique capacité-tension suffisantes pour que la diode puisse être utilisée comme diode d'accord dans des radiorécepteurs à gamme d'ondes moyennes. Un des objets de l'invention est de perfec-15 tionner la technique connue et d'indiquer, en partant d'un procédé permettant la fabrication d'une diode capacitive semiconductrice suivant lequel une couche fortement ohmique est élaborée d'abord sur un substrat peu ohmique, un procédé perfectionné qui permet la fabrication d'une diode capacitive 20 répondant aux exigences citées ci-dessus. L'invention repose entre autres sur l'idée que le profil de dopage désiré peut être établi par l'élaboration éventuelle d'au moins une seule couche (c'est-à-dire aucune couche, une seule couche ou plusieurs couches), peu ohmique 25 sur la couche fortement ohmique du corps de départ, par un traitement thermique qui a pour effet d'arrondir le profil de dopage en forme d'escalier, et par au moins une seule diffusion subséquente ayant comme effet l'entrée d'une substance de dopage. 30 Par conséquent, pour la fabrication d'un disposi tif semiconducteur du genre décrit dans le préambule, l'invention est remarquable en ce que sur le substrat, on élabore au moins une première couche, du premier type de conduction, dont la résistivité est supérieure à celle du substrat, en ce que sous 35 l'effet d'un traitement thermique, le profil de dopage en forme d'escalier résultant des couches élaborées se trouve arrondi par diffusion thermique, et en ce qu'avant l'élaboration de la jonction p-n, on effectue dans la couche élaborée en dernier lieu au moins une diffusion d'un élément de dopage définissant 40 le premier type de conduction, de sorte que la conductibilité 72 03275 3 2124340 de ladite couche s'en trouve encore augmentée. Le profil de dopage que l'on obtient par la mise en oeuvre du procédé conformer l'invention peut respecter par exemple la relation suivante : 5 Iï(x) = A/x2, dans laquelle A est une constante et à laquelle correspond une variation de capacité : ln 0 = K - k x ÏÏE. Cette variation de capacité forme une des varia-10 tions que désirent les personnes utilisant des diodes capacitives. Eans les deux équations ci-dessus, les différents symboles signifient : N (x) = la concentration en impuretés locale ; 15 x = la distance entre la surface semiconductrice et la jonction p-n de la diode ; 0 = la capacité de diode ; Ug = la capacité de blocage qui règne aux extrémités de la diode ; 20 K = la capacité de diode pour U-^ = 0 (=capacité de diffusion), et k = un facteur de proportionnalité. Un profil de dopage qui conduit aux propriétés désirées de la diode capacitive peut déjà être obtenu lorsque, 25 sur la Première couche fort ohmique, en élabore une seule • couche moins ohmique, dans laquelle on diffuse ensuite une substance de dopage, ou lorsque, sur la première couche, on n1élabore aucune autre couche, nais on fait entrer par diffusion au moins deux substances rie iopare dont les vitesses de diffu-30 sion et les concentration:; diffèrent. -Tous l'effet de cette diffusion, la concentration en impuretés dans la dernière couche eôt augmentée, de préfé- ^ A O -4Q "2 rence de façon à être comprise entre 5»10 ' et y atomes/cm , Oomne matériau semiconducteur, il est intéressant 35 d'utiliser le silicium qui, par exemple, peut être dopé à l'antimoine, tandis qu'avantageusement, les couches sont formées 72 03275 4 2124340 par croissance épitaxiale sur le substrat et dopées par exemple au phosphore. De préférence, on diffuse également du phosphore dans la couche formée épitaxialement en dernier lieu. Lorsqu'il faut introduire par diffusion deux substances. 5 de dopage, on peut, à côté du phosphore, utiliser par exemple de l'arsenic ou de l'antimoine» En particulier, les avantages résultant de l'invention résident en ce que, par la mise en oeuvre d'un procédé qui ne s'écarte pas trop des procédés standard permettant 10 la fabrication de dispositifs semiconducteurs, il est possible de fabriquer, de façon convenablement reproductible, des diodes capacitives ayant une étendue de variation de capacité suffisamment grande et une caractéristique de capacité tension exponentielle suffisamment convenable pour que ces diodes 15 puissent être utilisées comrie éléments d'acord dans des radiorécepteurs à gamme d'ondes moyennes et dans des appareils dans lesquels les éléments d'accord doivent satisfaire à des exigences similaires. La description suivante, en regard des dessins 20 annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est un diagramme montrant le profil de dopage d'une diode capacitive réalisée suivant un premier mode du procédé conforme à l'invention (croissance épitaxiale 25 double et diffusion simple)«. Les figures 1a à 1c sont des coupes transversales schématiques d'une diode capacitive fabriquée suivant le procédé de réalisation se rapportant à la figure 1, et représentée à différents stades de sa fabrication. 30 La figure 2 est un diagramme montrant le profil de dopage d'une diode capacitive réalisée suivant un deuxième mode du procédé conforme à l'invention (croissance épitaxiale triple et diffusion simple). La figure 2a est une coupe transversale schéma-35 tique d'une diode capacitive fabriquée suivant le procédé se rapportant à la figure 2. La figure 3 est un diagramme qui montre le profil de dopage d'un dispositif comportant une diode capacitive réalisée suivant un troisième mode du procédé conforme à l'in-40 vention (croissance épitaxiale simple et deux diffusions simultanées). 72 03275 5 2124340 La figure 3a est une coupe transversale schématique d'une diode capacitive fabriquée suivant le procédé se rapportant à la figure 3» La figure 4 est la caractéristique capacité-5 tension d'un dispositif comportant une diode capacitive ayant un profil de dopage répondant à la figure 1 ou à la figure 2. La figure 1 permet de rendre compte du profil de dopage d'une diode capacitive réalisée suivant un premier mode du procodé conforme à l'invention. Comme le montre la 10 figure 1a, on part d'un substrat en silicium 1 qui a subi un dopage n+ à l'antimoine lui communiquant une résistivité d'environ 12 SI.cm. Sur ce substrat, par là mise en oeuvre de procédés habituels, on élabore ensuite une première couche épitaxiale 2 en silicium fortement ohmique, cette couche 15 ayant une épaisseur comprise entre 9 12,5 p.et un dopage n au phosphore lui communiquant une résistivité comprise entre 8 et 12 &.cm, de préférence d'environ 10 S2.cm* Sur cette première couche épitaxiale 2, on élabore ensuite, de préférence à l'aide du même procédé, une deuxième couche 20 épitaxiale en silicium 3 ayant une épaisseur comprise entre 2,9^ et 3}3^et dopée au phosphore de telle manière qu'il en résulte une résistivité comprise entre 0,95 &.cm et 1,3 Œ.cm, de préférence d'environ 1 S2. cm. Sur la figure 1, on a indiqué la concentration 25 de dopage N, exprimée en atomes/cm^, sur une distance x exprimée en ^et comptée à partir de la surface de silicium du corps semiconducteur. A côté des sections correspondantes du profil, on a indiqué le:: résistivités qui correspondent aux concentrations de dopage correspondantes. Sur la deuxième couche 30 -'pitaxiale 3S un traitement thermique fournit une couche d'o:cyde 10. (Voir la figure 1a). Sous l'effet de ce traitement thernique, il se produit également une diffusion qui a comme résultat 1 ' arrondisseyaent du profil de dopage qui initialement était en forme d'escalier. Comme le montre la figure 1b, on pratique 35 ensuite dans la couche d'oxyde de silicium 10 une fenêtre de diffusion 11 à travers laquelle a lieu une diffusion de phosphore donnant une concentration de surface de préférence 18 3 égale à 5«10 atomes/cm » Le profil de dopage 4 qui résulte uniquement de cette diffusion de phosphore est donné en pointillé 40 sur la figure 1. Au cours de cette diffusion et du traitement 72 03275 6 2124340 thermique précité indispensable pour l'oxydation, le phosphore existant dans la deuxième couche épitaxiale 3 et l'antimoine se trouvant dans le substrat 1 diffusent également dans la première couche épitaxiale 2, et ceci fournit d'une part 5 le profil de dopage 5a et d'autre part le profil de dopage 5b, indiqués également en pointillé sur la figure 1. Ces différents profils de dopage se chevauchent et forment ainsi le profil de dopage définitif 6 (en traits pleins sur la figure 1). 10 La diffusion conduisant à l'obtention de ce pro fil de dopage étant terminée, la.surface du corps semiconducteur subit par exemple une nouvelle- oxydation, et dans la couche d'oxyde ainsi formée est ensuite pratiquée une autre fenêtre de diffusion 12, plus grande que la fenêtre 11 utilisée pour 15 la diffusion du phosphore ; à travers la fenêtre 12, pour former la jonction p-n 13, on diffuse ensuite du bore jusqu'à une profondeur d'environ 0,9 ^(voir la figure 1c). Après cette deuxième diffusion, la diode capacitive proprement dite est prête ; le traitement subséquent 20 du corps semiconducteur, à savoir le contactage, la pose d'une enveloppe autour de la diode, etc, a lieu par la mise en oeuvre de techniques connues qui ne sont pas décrites plus en détail dans la présente description. La figure 2 montre le profil de dopage d'une 25 diode capacitive réalisée suivant un deuxième mode du procédé conforme à l'invention. La figure 2a est une coupe transversale de la diode ainsi fabriquée. Ce procédé correspondant pratiquement à celui qui a conduit à la première diode capacitive décrite ; la seule différence réside en ce que sur la 30 deuxième couche épitaxiale 3» on élabore une troisième couche épitaxiale 7 ayant une épaisseur d'environ 2 H et une résistivité d'environ 0,2 ïï.cm. La figure 3 montre le profil de dopage d'une diode capacitive réalisée suivant un troisième mode du 35 procédé conforme à l'invention. Pour ce procédé, on part d'un substrat 1 ne présentant qu'une seule couche épitaxiale 2, fortement ohmique. Les paramètres caractéristiques (épaisseur et conductibilité) de cette couche correspondent à ceux de la couche 2 obtenus suivant le premier mode de réalisation 4-0 du procédé. Sur ladite couche épitaxiale 2, on forme, par oxydation thermique, une couche de revêtement en oxyde de silicium 72 03275 7 2124340 présentant une épaisseur d'environ 0,45 H- . Dans cette couche sont ensuite pratiquées des fenêtres qui doivent permettre d'effectuer simultanément deux diffusions établissant le type de conduction n+. Au cours de ces deux diffusions, on 5 fait pénétrer simultanément d'une part du phosphore établissant une concentration de surface d'environ 5*10^ atomes/cm , et d'autre part, de l'antimoine établissant une concentration de surface d'environ 5«10 atomes par cm . Le phosphore pénètre sur une profondeur comprise entre 2y 10 et 2,5^ , l'antimoine pénétrant sur une profondeur comprise entre 1,3 y. et 1,6 ji . Les-profils de dopage distincts que l'on obtient par suite de ces deux diffusions sont indiqués séparément en pointillé sur la figure 3 et indiqués par les abréviations des impuretés correspondantes (P et Sb). Ces 15 deux profils de dopage se chevauchent et conduisent ainsi au profil de dopage définitif 6. Tous les stades de fabrication suivants correspondent à ceux mis en oeuvre pour l'obtention de la diode suivant le premier mode du procédé, La figure 4 montre, en fonction de la tension 20 appliquée, la variation de la capacité d'une diode fabriquée suivant un des modes de réalisation de l'invention décrits ci-dessus. La courbe sur la figure 4 montre que si la tension varie de 1 Volt à 30 Volts, la capacité peut varier entre environ 10pF et 250 pF. 25 Cette variation de capacité et la valeur de la capacité en fonction de la tension sont telles qu'elles permettent l'emploi d'une telle diode capacitive dans des radiorécepteurs à gamme d'ondes moyennes et dans des appareils dans lesquels les éléments d'accord doivent satisfaire à 30 des exigences similaires. Bien que l'invention soit décrite à l'aide de formes de réalisation et d'application déterminées, le technicien pourra en réaliser de nombreuses variantes sans sortir du cadre de l'invention. Il est par exemple possible d'éla-35 borer un nombre plus grand de couches épitaxiales et de procéder à un plus grand nombre de diffusions, tandis qu'en outre il est possible aussi d'utiliser des matériaux semiconducteurs et des matériaux isolants autres que ceux préconisés dans cett? description. 72 03275 8 2124340 REVENDICATIONS 1*- Procédé permettant la fabrication d'un dispositif semiconducteur comportant une diode capacitive semiconductrice, procédé suivant lequel, sur un substrat 5 peu ohiaique d'un premier type de conduction est élaborée une couche du premier type de conduction dont la résistivité est supérieure à celle du substrat, après quoi un élément de dopage définissant le deuxième type de conduction est diffusé dans la surface semiconductrice pour former ainsi 10 une jonction p-n, caractérisé en ce que sur le substrat on élabore au moins une première couche, du premier type de conduction, dont la résistivité est supérieure à celle du substrat, en ce que sous l'effet d'un traitement thermique, le profil de dopage en forme d'escalier résultant des couches 15 élaborées se trouve arrondi par diffusion thermique * et en c© que, avant l'élaboration de la jonction p-n, on effectue dans la couche élaborée en dernier lieu au moins une diffusion d'un élément de dopage définissant le premier type de conduction, de sorte que la conductibilité de ladite couche s'en trouve 20 encore augmentée. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que parmi les couches élaborées sur le substrat, au moins une couche est obtenue par croissance épitaxiale, ceci étant de préférence le cas de toutes les couches. 25 3*- Procédé selon l'une des revendi cations 1 ou 2, caractérisé en ce que sur la première couche, on élabore une seule ou plusieurs autres couches du premier type de conduction, la résistivité de chaque couche étant inférieure à celle de la couche sur laquelle la couche en 30 question est élaborée. 4-.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que sur la première couche, on n'élabore qu'une seule autre couche de même type de conduction, 5.- Procédé selon la revendication 3j caracté-risé en ce que sur la première couche, on élabore deux autres couches de même type de conduction. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 55 caractérisé en ce qu'on fait pénétrer par diffusion simultanément deux substances de dopage dont les vitesses de 72 03275 9 2124340 diffusion et les concentrations de dopage diffèrent. 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la diffusion augmente la concentration de dopage de la dernière couche jusqu'à 5 une valeur comprise entre 5,10 ' et 5.10 J atomes/cm . 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau semiconducteur est du silicium. 9.- Procédé selon l'une quelconque des reven- 10 dications 2 à 8, caractérisé en ce que les couches formées épitaxialement sont dopéqs au phosphore, tandis que dans la dernière couche on diffuse du phosphore. 10.- Procédé selon les revendications 6 et 9» caractérisé en ce que dans la dernière couche, on diffuse 15 du phosphore et de l'arsenic. 11.— Procédé selon les revendications 6 et 9» caractérisé en ce que dans la dernière couche, on diffuse du phosphore et de l'antimoine. 12.- Procédé selon l'une quelconque des reven- 20 dications 1 à 11, caractérisé en ce qu'on utilise un substrat dopé à l'antimoine. 13*~ Dispositif semiconducteur obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.