Brevet FR2157702A1 — publié le 19730608

La présente invention se rapporte au domaine des semiconducteurs à effet Zener, et concerne plus particulièrement un procédé de fabrication de semiconducteurs dont la valeur de la tension "Zener" est très faible. L'effet Zener est connu, pour une diode, comme étant une augmentation rapide et importante du courant la traversant pour une valeur particulière de la tension de polarisation inverse, valeur appelée tension Zener ; ce phénomène est traduit par un angle important, ou '1coude", de la caractéristique couranttension inverse de la diode. En vue d'utilisations particulières de cet effet, dans le domaine de l'électronique, certaines caractéristiques sont né pessaires comme, d'une part, un "coude" très marqué, c'est-àdire une augmentation de courant très importante lorsqu'est atteinte la tension Zener, et d'autre part, une tension Zener très basse, de l'ordre de 3 volts, par exemple. A cet effet, il est possible d'utiliser non pas une diode, polarisée de façon inverse, celle-ci ne présentant pas en général un coude très net pour une tension Zener très faible, mais un transistor dans lequel est exploité un phénomène dit de percement. Ce phénomène de percement se produit lorsque la zone dite de charge d'espace, adjacente au collecteur, atteint l'émetteur lors de l'augmentation de la tension appliquée au collecteur, augmentation ayant pour effet l'élargissement de la zone de charge d'espace, jusqu'à une valeur particulière appelée tension de percement. Dans ce cas, les porteurs traversant la zone de charge d'espace, de l'émetteur au collecteur, se trouvent entrat- nés par un champ électrique au lieu d'atteindre le collecteur par diffusion.La courbe représentative du fonctionnement du transistor est alors analogue à celle d'une diode Zener,l'émetteur du transistor étant,dans le cas d'une structure PNP par exemple, polarisé positivement par rapport au collecteur Cette structure, désignée dans la présente description sous le nom de semiconducteur à effet Zener, présente le double avantage d'une part d'une plus grande netteté du coude, et d'autre part d'être technologiquement réalisable pour de très basses tensions de percement, quelques conditions particulières étant alors imposées à la base du transistor : sa structure doit être homogène, et son épaisseur très faible, de l'ordre de la fraction de micron. Différents procédés de réalisation sont connus, tels que la technique de double diffusion "planar", ou la technique d'épitaxie, mais ne permettent ni une précision, ni une homogé néité suffisante pour le bon fonctionnement du dispositif. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de semiconducteurs à effet Zener présentant une faible tension Zener, comportant un émetteur, une base et un collecteur, et évitant les inconvénients précédents grace à la réalisation de la base par exodiffusion. Plus précisément, sur un substrat, constituant le collecteur, de conductivité de type P par exemple, est déposée une couche dont la conductivité est de type opposé, à savoir de type N , cette couche subissant successivement : une diffusion d'impuretés dopantes, sur toute son épaisseur, destinée à inverser son type de conductivité, puis une exodiffusion desdites impuretés sur une très faible épaisseur où le type de conductivité redevient N, épaisseur constituant ainsi la base g sur la base ainsi réalisée est déposé l'émetteur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après et des figures 1 à 4, sty rapportant, qui illustrent la réalisation de chacune des étapes du procédé selon l'invention. La figure 1 représente la réalisation de la première étape du procédé selon l'invention, étape pendant laquelle est déposée, par épitaxie par exemple, sur un substrat 1 de matériau semiconducteur dopé afin de présenter un type de conductivité donné, par exemple P , une couche 2 du type de conductivité opposé au substrat 1 , c'est-à-dire de type N dans cet exemple. Le dépôt par épitaxie de la coucha 2 s'effectue de façon classique, qui peut être par exemple, dans le cas où le substrat I est constitué par du silicium, une réduction de tétrachlorure de silicium opérée dans un réacteur vertical. La couche 2 peut etre dans cet exemple de réalisation, dopée au phosphore, élément pentavalent assurant au silicium une conductivité de type N. La figure 2 représente la réalisation de la deuxième étape du procédé selon l'invention, étape dans laquelle sont diffusées, dans toute l'épaisseur de la couche 2 de la figure 1, repérée 3 sur la figure 2, des impuretés dopantes susceptibles d'exodiffuser ainsi que requis par la troisième étape, décrite ci-dessous, ces impuretés entratnant le changement du type de conductivité de la couche 3. Dans l'exemple décrit ci-dessus d'un substrat de silicium, ces impuretés sont constituées par des atomes d'un matériau trivalent susceptible d'exodiffuser, appartenant à la classe IIIb de la classification périodique des éléments, et pouvant avantageusement être du gallium. Cette diffusion, effectuée dans un tube scellé, est telle que dans la couche 3 la concentration en gallium soit supérieure à la concentration en phosphore, ce qui a pour effet l'inversion du type de conductivité de cette couche 3, devenant ainsi de type P La figure 3 représente la réalisation de la troisième étape du procédé selon l'invention, étape dans laquelle est effectuée une oxydation de la surface de la couche 3 de la figure 2 .Cette oxydation a pour effet d'une part la création d'une épaisseur d'oxyde 4 à la surface du matériau, constituée par de la silice dans l'exemple de réalisation décrit ci-dessus, et d'autre part une exodiffusion desdites impuretés dopantes (gallium) contenues dans la partie extérieure 32 de la couche 3, la partie intérieure 31 de la couche 3 demeurant inchangée. Le collecteur du transistor,de type P dans cet exemple, est ainsi constitué par le substrat 1 et la partie 31 de la couche 3 La concentration en gallium, dans la partie 32, étant rendue ainsi inférieure à la concentration en phosphore, la conduction redevient de type N dans cette partie qui constitue ainsi la base du transistor, base dont l'épaisseur, qui est fonction du temps d'oxydation et de la température, peut être ainsi rendue très mince, de l'ordre de la fraction de micron, et très homogène. La figure 4 représente la réalisation de la quatrième étape du procédé selon l'invention, étape dans laquelle est déposé, par épitaxie, sur la structure obtenue, une couche 5 de matériau de conductivité de même type que le substrat 1, constituant l'émetteur du transistor. A cet effet, il est pratiqué une ouverture 41, ou fenêtre, dans l'épaisseur d'oxyde 4. Puis un matériau 5, approprié au phénomène d'épitaxie localisée sur la partie 32, est déposé sur l'ouverture 41 et la couche d'oxyde 4 ; dans l'exemple de réalisation décrit, le matériau 5 se présente sous la forme d'un bouton de silicium de conductivité de type P. Afin d'améliorer la conductivité en vue du raccordement à des électrodes d'utilisation, non représentées sur la figu#re et fixées sur les faces 51 et Il du dispositif, il est avantageux que la conductivité du substrat I et de l'émetteur 5 soit du type P comme représenté sur les figures. Lesdites électrodes sont respectivement polarisées , dans cet exemple de réalisation, négativement et positivement. A titre d'exemple, un semiconducteur à effet Zener selon l'invention a été réalisé à l'aide d'une couche 2, dopée au phosphore, ayant une épaisseur de l'ordre de 10 microns et une résistivité de l'ordre de 0,1 ohm-cm, et d'une diffusion de gallium sur une profondeur d'environ 30 microns, avec une concentration superficielle de l'ordre de 2.1018 atomes/cm2 REVENDICA2IONS 1. Procédé de fabrication de semi-conducteur à effet Zener, à faible tension Zener, comprenant un émetteur, une base et un collecteur, caractérisé par le fait qu'il comporte - une première étape pendant laquelle est effectué le dépit sur un substrat (l) d'un premier type deconductivité, d'une couche (2) d'un matériau semi-conducteur d'un second type de conductivité - une deuxième étape pendant laquelle est effectuée une diffusion d'impuretés dopantes, susceptibles d'exodiffuser, dans toute l'épaisseur de ladite couche (3) , entraînant le changement de conductivité de cette dernière, à savoir dudit second audit premier type - une troisième étape pendant laquelle est réalisée une oxydation de la surface de ladite couche (3) créant une épaisseur oxydée (4) et provoquant la subdivision de ladite couche en deux parties : une partie extérieure (12) de faible profondeur où une exodiffusion desdites impuretés dopantes entrain un changement de conductivité, à savoir dudit premier audit second type, cette partie constituant ainsi ladite base, et une partie intérieure (31) résiduelle où le type de conductivité n'est pas modifié, constituant avec le substrat ledit collecteur - une quatrième étape pendant laquelle est réalisé ledit émetteur (5), dudit premier type de conductivité. 2. Procédé de fabrication de sedhconducteur à effet Zener selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, lors de la première étape, ledit dépôt est effectué par épitaxie, 3. Procédé de fabrication de semiconducteur à effet Zener selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, lors de la quatrième étape, des fenêtres (41) pratiquées dans ladite épaisseur oxydée (4) permettent le dépôt par épitaxie sur ladite partie extérieure(32) d'un matériau semi-conducteur (5), dudit premier type de conductivitésconstituant ledit émetteur. 4. Procédé de fabrication de semiconducteur à effet Zener selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit substrat (1) et ledit émetteur(5) sont constitués par des matériaux semiconducteurs fortement dopés, d'une conductivité dudit premier type, assurant un bon contact électrique avec des électrodes fixées sur leurs faces extérieures (11 et 51). 5. Procédé de fabrication de semiconducteur à effet Zener selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits premier et second type de conductivité sont respectivement les types P et N et que lesdites impuretés dopantes sont constituées par des atomes trivalents. 6. Procédé de fabrication de semiconducteur à effet Zener selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdits atomes trivalents sont des atomes de gallium.