Brevet FR2232081A1 — publié le 19741227

La présente invention concerne un dispositif comportant une structure de type mésa soudée à l'envers sur une cmbasc et le procédé de réalisation drun tel dispositif. La technique dito do "soudure à l'cnvers" qui consiste à souder une structure de type mésa toi qu'une diodc, du côté de la face do plus faible dimension, à la borne d'un boiticr ou au substrat d'un autre dispositif, est utilisée dans do nombreuses applications. Il peut s'agir, par exemples d'améliorer la dissipation thermique au niveau de la jonction, ou d'empiler plusieurs diodes l'une sur l'autre sans connexions selfiqucs intermédiaires. Néanmoins, la technique de soudure à l'envers,mettant le plus souvent on oeuvre des procédés de thermocompression, est très difficilement réalisable quand, et ctest souvent le cas, les di mentions des mésas sont très faibles. On conçoit, en effet, que les efforts do compression introduisent dans la mésa des contraintes mécaniques qui tendent à détériorer ses propriétés. On peut éviter cet inconvénient en enrobant la mésa dans un matériau diélectrique que l'on rode ensuite jusqu'à ce que la surface cxt- rieure de l'enrobage soit ramonée dans le plan de la borne externe de la mésa.Mais la présence de cette masse relativement importante de matériau diélectrique remplissant les flancs de la mésa risque d'introduire des capacités parasites au niveau de la jonction, et cela d'autant plus que celle-ci est petite, capacités qui deviennent gtnantes quand les dispositifs sont destinés à fonctionner à des fréquences très élevées. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients et concerne une structure de type mésa soudée à l'envors sur une embase comprenant un système de plots réalisés en matériau isolant qui soutient et équilibre la mésa durant l'opération do soudure à l'envers et ensuite durant la vie du dispositif. Les dimensions de ces plots sont suffisamment faibles pour ne pas introduire de capacités parasites notables tout en améliorant considérablement la tenue mécanique de l'ensemble. Ce système de plots peut être solidaire initialement soit de ltembase soit de la structure mésa elle-même. L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des figures jointes parmi lesquelles la figure 1 représente schématiquement un empilage équipé d'un système de plots conforme à l'invention la figure 2 représente le cas où le système de plots est initialement solidaire de l'embase les figures 3 et il représentent deux variantes dans lesquelles le système de plotgeat solidaire initialement de la structure mésa les figures 4 à 10 représentent un certain nombre d'étapes caractéristiques de la fabrication d'un dispositif conforme à celui de la figure 11. Les mêmes éléments portent les mêmes références dans toutes les figures. La figure 1 représente une structure de type mésa 1 comportant un substrat 2 sur lequel on a réalisé une jonction 3 ; cette jonction est délimitée par une mésa dont la grande face qui, sur la figure est la face supérieure est référencée 5, la petite face qui, sur la figure, est la face inférieure 4 et les flancs 6. Il peut, par exemple, s'agir d'une diode revêtue sur sa face inférieure d'une couche métallique 55 qui peut alors servir de borne à la jonction. Cette structure est destinée à être soudée à l'envers, c'est-à-dire du côté de la face inférieure 4 sur une embase 7.Cette dernière, selon les applications recherchées, peut être soit le substrat d'une seconde structure (empilage de diodes mésas par exemple), soit une embase en matériau métallique telle qu'une borne de boitier, ou une embase en matériau isolant par exemple un substrat de céramique, quartz, ou de diamant métallisé. Pour supporter et maintenir en équilibre la structurc mésa reposant sur Sa plus faible section, un système de plots 8 oomprenant, dans l'exemple décrit, à titre nullement limitatif, trois plots formant une sorte de support en forme de trépied (9,t0 et il) est disposé entre la face supérieure 5 de la structure mésa et l'emb@se 7 . Ladistance séparant le plan contenant la face supé- ri ure 5 de la mésa et le plan contenant à la fois la face infé- rieure de la mésa 4 et la surface de l'embase 7 sur laqucîlo elle repose, est égale à une valeur référencée H. Les plots 9, 10 et ll sont disposés de cette façon pour constituer trois pointsd1appui particulièrement efficaces, mais cette disposition n'est pas unique et peut castre adaptée aux différentes applications possibles. Il importe principalement que la hauteur de ces plots soit calibrée à une valeur égale à H définie cidessus et qui correspond en fait à la hauteur de la mésa. D'autre part, le nombre et les dimensions des plots sont choisis de telle sorte que ils assurent l'équilibre de la mésa sans introduire de capacités parasites suffisantes pour affecter le fonctionnement à très hautes fréquences des dispositifs ainsi équipés.A titre d'exemple, on peut dire que ces plots ont, dans le cas oh leur section est circulaire, un diamètre voisin de 20 microns et une hauteur H de l'ordre de 4 à 6 microns selon la structure mes considérée. Deux principales possibilités existent quant à la réalisation de ces plots selon qu'ils sont rendus solidaires initialement de embase 7, comme le montre la figure 2, ou solidaires de la strue -ture mésa elle-m8me comme le montre la figure 11. Le procédé utilisé pour obtenir le dispositif représenté sur la figure 3, bien que s'adaptant à la réalisation d'un système de plots initialement solidaires de la structure mésa s'apparente néanmoins au preLier procédé conduisant au système de plots solidaire de l'embase. L'embase 7, qu'il s'agisse d'une embase métallique, (borne d'un boitier, ailette de refroidissement, puits de chaleur...) d'un substrat semiconducteur supportant une autre structure nésa ou d'un substrat isolant métallisé est revêtue sur toute a surface d'une couche 20 de hauteur égale à H. Cette couche est repré ventée en pointillés sur la figure 2, car il s'agit, en partie, d'une couche provisoire appelée ensuite à disparaitre à l'exception des zones où doivent demeurer précisément les plots. Elle est réalisée en un matériau isolant et de préférence en verre selon des procédés connus. Ce dépôt 20 est ensuite attaqué au moyen d'un réactif chimique à travers un masque 21.Les zones protégées par ce masque fait en matériau résistant au réactif d'attaque de la couche 20, forment, à la fin de cette attaque, les plots 9, 10 et ll. Seuls les plots 9 et 10 sont visibles sur la figure 2 qui est une vue en coupe selon AA1de la figure 1 Comme le montrent les figures 3 et 11, les plots peuvent castre solidaires initialement (etest-à-dire avant que n'ait lieu la mise en contact de la mésa sur son embase) de la structure mésa elle-mEmo, au lieu d' être rendus solidaires de l'embase comme c'était le cas pour les exemples décrits précédemment. Pour faciliter la compréhension, une eoupe de la figure 1 sclon BB1 est cotte fois représentée figures 3 et 11.On y trouve les plots 9 et 11,(le plot tO n1 étant pas visible sur cette coupe) ainsi que la structure mésa 1 avec sa face inférieure 4 limitant une couche métallique 35, les flancs 6 et la face supérieure 5. La distance entre le plan contenant la face inférieure 4 et le plan contenant la face supérieure 5 est encore, dans ce cas, émie à H. Dans la variante représentée sur la figure 3, un dépit provisoire 30 de matériau isolant, tel que du verre, est réalisé selon les procédés connus sur la face supérieure 5 de la structure mésa et sur une épaisseur égale à H.A travers un masque 22 résistant à toute attaque du matériau isolant 30, on effectue précisément cette attaque au moyen d'un agent chimique approprié, éliminant partout ce dépit provisoire 30, sauf au niveau du masque 22, de telle sorte que des flots subsistent et forment ainsi les plots dont on ne voit, sur la figure que les plots référencés 9 et 11. La variante représentée sur la figure 11 ne diffère principale ment de la figure 3 que par le procédé de réalisation des plots. Les principales étapes de fabrication de tels dispositifs sont schématiquement représentées sur les figures 4 à 10. Au lieu d'être rapportés après la formation de la mésa, les plots sont réalisés en même temps que cette dernière. Leur réalisation est tout à fait compatible avec la fabrication collective de dispositifs mésas. Comme le montre la figure 4, le substrat 2 sur lequel est, ou sera ultérieurement réalisée la jonction, (éventuelleaent les jonctions), on dépose une première couche 40 d'un matériau isolant. Si le substrat est en silicium, ce matériau isolait peut etre par exemple de l'oxyde de silicium. A travers mi risque 31 (figure 5) on attaque ce déport 40 de Si02 à l'exception des zones où doivent être réalisés les plots conformes à l'inven- tion. On obtient ainsi la configuration représentée sur la figure 6. Puis (figure 7), on effectue un second dépit 32 d'un matériau résistant aux réactifs d'attaque du matériau 49 et du semiconducteur.Il peut s'agir de nitrure de silicium dans l'hypothèse choisie ci-dessus. Ce second dépôt de Si3N4 est obtenu au moyen de techniques classiques. A travers un masque 33 (figure 8) délimitant les zones correspondant aux futurs plots ainsi qu'à la future mésa, on attaque le silicium du substrat 2 pour former la mésa avec ses flancs 6, sa face supérieure 5 et l'amorce de sa face inférieure, tels que représentés sur la figure 9. A la fin de l'attaque, les plots sont,à ce stade de fabrication,recouverts d'une couche de nitrure de silicium 92 et d'une couche d'oxyde de silicium 40, tandis que la mésa est recouverte d'une couche de nitrure de silicium 32, corme le montre la figure 10.Le dispositif peut être ensuite passivé, la couche de nitrure de silicium étant enlevée, la jonction, si elle n'a pas été préalablement réalisée, est alors faite par épitaxie ou par diffusion. Toutes ces opérations sont actuellement classiques et ne sont pas explicitées ni représentées zva une figure d'autant plus qu'elles ne rentrent pas précise-'#ent dans le cadre de l'invention. La dépôt d'une troisième couche 5, qui peut, par exemple, être métallique, achève la fabrication ii dispositif qui est alors prêt à être soudé sur une embase comme cela a été représenté sur la figure 1. Les surfaces externes de la couche métallique 35 constituant la face inférieurc de la mésa 4 et de la couche d'oxyde de silicium recouvrant les sommets des plots sont sensiblement dans le meme plan. La couche d'oxyde de silicium joue alors le rôle d'isolant électrique entre le substrat et l'embase sur laquelle le dispositif est ensuite soudé à l'envers. REVENDI CATI 0N# 1. Dispositif semiconducteur comportant au moins une structure de type mésa comprenant une petite face et une grande face, la distance entre lesdites petite et grande faces étant égale à une valeur H, caractérisé en ce que ladite petite face étant mise en contact avec une surface plane d'une embase, un système de plots comportant au moins une épaisseur de matériau isolant est interposé entre ladite petite face et ladite surface de l'embase, la hauteur dosdits plots étant égale à ladite valeur H. 2. Dispositif semiconducteur conformc à la revendication 1, caractérisé en ce que, avan#t ladite mise en contact, ledit système de plots est solidaire de ladite embase. 3. Dispositif semiconducteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que, avant ladite mise en contact, ledit système de plots est solidaire de ladite structure mésa. 4. Dispositif semiconducteur conforme à la revendication i, caractérisé en ce que ladite surface de l'embase est métallique, 5. Dispositif semiconducteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface plane de l'embase est faite en matériau semiconducteur. 6. Empilage d'au moins deux dispositifs dont l'un au moins des deux est conforme à l'une des revendications I à 5. 7. Procédé de fabrication d'un dispositif conforme à la revendication 3, ca#ractérisé en ce que ledit système de plots est déposé sur ladite grande face après la formation de ladite mesa. 8. Procédé de fabrication d'un dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé on ce que ledit système do plots est réalisé en mênc temps que la formation de ladite mésa. 9. Procédé conforme à la revendication 8 comprenant les étapes de fabrication d'une structure mésa, caractérisé on ce qu'il comprend les étapes supplémentaires suivantes : a) dépit sur toute la surface d'une rondelle dc semi- conducteur constituant le substrat d'au moins une structure mésa, d'une première couche d'un matériau isolant b) enlèvement de ladite première couche à l'exception de premières zones délimitant ledit système de plots c) recouvrement desdites premières zones et d'une seconde zone délimitant ladite structure mésa, au moyen d'une seconde couche d'un matériau résistant aux réactifs d'attaque dudit semiconducteur ; ; d) attaque dudit semicondlzcteur, formation de ladite mésa et dudit système de plots é) enlèvement de ladite seconde couche f) dépit au niveau de ladite mésa dlune troisième couche d'un matériau ayant une épaisseur telle que la face externe de ladite troisième couche soit sensiblement dans le même plan que la face externe dudit système de plots 10. Procédé do fabrication d'un dispositif conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que ledit substrat est on silicium, ladite première couche en oxyde do silicium, ladite seconde couche en nitrure de silicium, ladite troisième couche en matériau conducteur,