Brevet FR2301921A1 — publié le 19760917

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une nouvelle diode Zener alliée à anneau de garde diffusé et les diodes Zener ainsi obtenues. Avant d'aborder la description de la présente invention, on va rappeler les procédés les plus connus pour réaliser des jonc- tions dans un semi-conducteur monocristallin. Un premier procédé consiste à diffuser à haute température dans un substrat monocristallin d'un premier type de conductivité, des impuretés de type de conductivité opposé; on obtient ainsi une jonction diffusée. Un second procédé consiste à réaliser un alliage du substrat initial avec un métal; on obtient ainsi une jonction alliée. Un troisième procédé consiste à déposer sur un substrat initial d'un premier type de conductivité, une couche cristalline de type de conductivité opposé; on obtient ainsi une jonction épitaxiée. Un quatrième procédé consiste à forcer la pénétration d'impuretés par bombardemente atomiques; on obtient ainsi une jonction dite par implantation. Il est connu dans l'art antérieur de réaliser une diode à effet Dener par l'un quelconque des procédés de formation de jonc- tion ci-dessus. Il a été en particulier observé et déterminé de façon théorique qu'un procédé préféré pour obtenir des diodes Zener présentant dans leur caractéristique un coude très marqué consiste à former la jonction utile par alliage. Toutefois, les divers essais pratiques de réalisation d'une diode Zener présentant dans sa caractéristique un coude très marqué en utilisant une technique d'alliage se sont révélés insatisfaisants. En effet, selon l'art antérieur il est difficile d'éviter que les effets de bords de la couche alliée arrondissent le coude de la caractéristique. En conséquence, un objet principal de la présente invention est de prévoir une diode Zener dont la jonction utile soit formée par alliage présentant une caractéristique à coude très marqué, ayant une faible résistance dynamique, un faible bruit, et étant de débit stable. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé de fabrication de telles diodes Zener. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un procédé de fabrication de diodes Zener comprenant les étapes suivantes (a) prévoir un substrat de semi-conducteur d'un premier type de conductivité; (b) former sur la première face de ce substrat une couche du premier type de conductivité; (c) former par diffusion sur une zone géométriquement connexe de la deuxième -face de ce substrat une première couche profonde de l'autre type de conductivité, cette couche laissant une zone fermée de la surface non diffusée; (d) former par diffusion sur la deuxième face du substrat une couche de l'autre type de conductivité de profondeur moins grande que la couche précédente au moins sur ladite zone fermée;; (e) former par alliage sur la deuxième face du substrat et sur une surface sensiblement supérieure à celle de ladite zone fermée une troisième couche de l'autre type de conductivité selon une profondeur moins grande que celle de la première couche; (f) prévoir une métallisation sur la première face du substrat et éventuellement sur la zone alliée. De préférence, le substrat semi-conducteur sera un substrat de silicium de type N, le dopant utilisé pour les première et deuxième étapes de diffusion sera du bore et le métal d'alliage sera de l'aluminium. En outre, il faut noter que selon les procédés de fabrication usuels des semi-conducteurs, les diodes ne seront pas fabriquées une par une mais à partir d'une tranche de silicium qui sera ensuite découpée pour former des diodes Zener individuélles. Outre les avantages de l'accentuation du coude de la caractéristique Zener et de la faible résistance dynamique (RZT) cités précédemment, la présente invention présente les avantages de fournir une diode Zener facilement glassivable et facilement encapsulable comme cela sera exposé ci-après. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation préférés faite en relation avec les dessins joints dans lesquels Les figures la à ld sont destinées à illustrer la description d'un premier procédé de réalisation de diffusion profonde annulaire selon la présente invention; Les figures 2a et 2b sont destinées à illustrer la description d'un deuxième procédé de réalisation de diffusion profonde annulaire selon la présente invention; Les figures 3a et 3b sont destinées à illustrer la description d'un troisième procédé de réalisation de diffusion profon de annulaire selon la présente invention; Les figures 4a et 4b sont destinées à illustrer la description d'un premier procédé de formation de couche alliée selon la présente invention; et Les figures 5a à 5c sont destinées à illustrer la description d'un deuxième procédé de formation de couche alliée selon la présente invention. On notera -que, dans ces diverses figures, les dimensions des couches et du substrat ne correspondent en rien à un modèle à l'échelle des dispositifs réels mais que de façon générale, les dimensions en épaisseur ont été fortement exagérées pour la clarté de la représentation. Les épaisseurs relatives des différentes couches ne correspondent également pas à leurs épaisseurs relatives réelles. De même, la forme du substrat est uniquement donnée à titre schématique et ne correspond pas à la forme d'un substrat réel. Les dimensions réelles des différentes couches seront seulement spécifiées dans quelques cas de la description ci-dessous, car ces dimensions sont en fait bien connues de lthomme de l'art habitué aux techniques de fabrication des semi-conducteurs. Il faut également noter que les différentes figures ne sont pas, de façon générale, à la même échelle entre elles pour permettre de mieux représenter certains éléments de ces figures. Comme on l'a vu précédemment,la première étape du procédé, selon la présente invention, consiste à effectuer des diffusions profondes localisées dans un substrat, et plus particulièrement des diffusions profondes sur toute la surface du substrat sauf en des zones discrètes de cette surface. On considèrera de façon générale que l'on dispose initialement d'un substrat de silicium monocristallin de type N, tel que représenté en figures la et ld en coupe et en vue de dessus, sur la face inférieure duquel a été effectuée une diffusion 2 de type N+ et sur la face supérieure duquel ont été prévus des disques de masquage 3. De façon générale un tel substrat de silicium monocristallin aura une épaisseur comprise de préférence entre 200 et 300 microns. Bien qu'en figure ld le substrat ait été représenté de forme rectangulaire, il est clair que dans la pratique ce substrat pourra autre de toute forme choisie. En pratique, réaliser des diffusions profondes localisées, c' est-à-dire, par exemple, supérieures à 20 microns de profondeur, dans un substrat soulève des difficultés technologiques particulières, surtout dans le cas, qui est celui des diodes Zener, où le substrat de silicium possède un dopage relativement élevé. En se réfé rant aux figures l, 2 et 3, on décrira des procédés préférés pour réaliser des diffusions profondes localisées selon la présente invention. Les figures la à lc concernent un premier procédé de diffusion profonde localisée. Selon ce procédé, le substrat 1 muni des disques de masquage 3 insensibles à une solution chimique attaquant le silicium suivant des technologies connues, est attaqué par une telle solution chimique qui peut être par exemple un mélange d'acide acétique, d'acide fluorhydrique et d'acide nitrique. Ainsi, la surface supérieure du substrat de silicium sera formée de cavités 10 et de bosses ll, figure la.La profondeur de ces cavités sera comprise entre 5 et 50 microns et de préférence entre 25 et 45 microns. Dans une deuxième étape représentée en figure lb, l'élément de masque 3 est enlevé de la surface du substrat par tout moyen connu et une diffusion profonde 12 est effectuée. L'élément de diffusion est un dopant de type opposé à celui du substrat; par exemple, dans un mode de réalisation préféré, du bore. La profondeur de cette diffusion peut varier de 5 à 50 microns, toutefois, dans le cas d'un substrat l, initialement fortement dopé, on préférera une diffusion d'une profondeur variant entre 20 et 30 microns. Dans une troisième étape représentée en figure lc, on effectuera un rodage et un polissage i la face supérieure du dispositif de façon à la rendre plane et à obtenir,comme cela est représenté, des diffusions profondes localisées 12 et des zones 13 où la matériau constituant le substrat affleure à la surface supérieure du dispositif. C'est-à-dire qu'on trouve aux surfaces du dispositif obtenu,d'une part, une couche 2 de type N+ et d'autre part, une face opposée diffusée localement de façon profonde par du bore et laissant affleurer des zones fermées 13 identiques au substrat. En se référant aux figures 2a et 2b, un second procédé de diffusion profonde localisée va maintenant être décrit. Dans ce deuxième procédé comme dans le premier décrit ci-dessus, on commence par former des cavités 10 et des bosses ll sur une face du substrat de silicium et l'élément de masquage utilisé pour obtenir cette structure est enlevé. Ensuite, un matériau, mécaniquement compati ble avec le silicium, introduisant peu de perturbations et d'impuretés dans un substrat monocristallin jusqu'à 1300 C, et dont le coefficient de diffusion des impuretés classiques (le phosphore, l'antimoine, l'aluminium, le gallium... et plus particulièrement le bore) est nettement plus important que le coefficient de diffusion de ces impuretés dans le silicium monocristallin du substrat 1, est déposé de façon à remplir complètement les cavités 10.On choisira de préférence pour ce matériau du silicium polycristallin 20 déposé à basse température. Dans l'étape suivante illustrée en figure 2b, un rodage mécanique suivi d'un polissage est effectué selon la flèche A de la figure 2a de façon à réaliser une face plane à la partie supérieure du substrat, cette face pouvant entre située après polissage chimique quelques microns en-dessous du sommet des bosses 11. On réalise alors une diffusion d'un dopant de type opposé au substrat, ce dopant étant de préférence du bore. Comme cela est bien connu, la vitesse de diffusion d'un dopant et plus particulièrement du bore est nettement plus rapide dans le silicium polycristallin que dans le silicium monocristallin. Ainsi, on obtiendra une diffusion dans les bosses et les fonds de cavité du substrat ainsi que dans le silicium polycristallin 20.Par exemple, la profondeur de diffusion à l'emplacement des bosses sera de 4 à 5 microns et à l'emplacement des fonds de cavités 1 i 2 microns. On désigne par la référence 21 les zones diffusées dans le silicium monocristallin. En se rappelant les ordres de grandeur cités à propos du premier mode de réalisation,on obtient donc au niveau des bosses une zone de diffusion peu profonde de l'ordre de 4 à 5 microns et à l'emplacement des cavités une zone que l'on peut considérer comme unique,composée de silicium polycristallin diffusé 20 et de silicium monocristallin diffusé 21, qui constitue une zone de diffusion profonde de l'ordre de quelques dizaines de microns.En outre, si cela est souhaité, on peut effectuer une autre étape de rodage pour supprimer les parties diffusées au niveau des bosses; mais comme on le verra ultérieurement, ces parties diffusées au niveau des bosses peuvent constituer un avantage pour la réalisation de diodes Zener selon la présente invention. En se référant aux figures 3a et 3b, on va décrire un troisième procédé de formation de couche par diffusion profonde localisée. Ce troisième procédé utilise des enseignements de la demande de brevet français n0 74/05790 déposée au nom de la demanderesse le 20 février 1974, sous le titre : "Procédé de diffusion profonde d'impuretés dans un substrat". Selon ce troisième procédé, le dispositif représenté en figure la est utilisé#sans qu'il soit procédé à un enlèvement des couches de masquage 3. Une couche 30 de silicium polycristallin est déposée à la surface supérieure.Les impuretés dopantes sont alors diffusées par la technologie dite de painting à travers le masque mixte constitué par le silicium polycristallin 30 et le masque 3. Le dopant pénètre dans le substrat 1 pour former une couche diffusée 31, Dans une étape suivante représentée en figure 3b, la surface supérieure du dispositif est attaquée chimiquement jusqu'à une profondeur inférieure au niveau des couches de masquage pour obtenir un dispositif tel que celui repré senté en figure 3b, dans lequel l'ensemble des zones 30 et 31 constitue une zone de diffusion profonde laissant affleurer le substrat 1 dans des régions 33. On a donc pu obtenir par l'un quelconque des trois procédés décrits précédemment un dispositif comprenant un substrat 1 muni sur sa face inférieure d'une couche 2 fortement dopée de même type que le substrat et sur sa face supérieure de zones de diffusion profonde laissant affleurer des parties du substrat sensiblement selon la forme de disques par exemple, ces parties de substrat pouvant éventuellement (par exemple dans le cas du deuxième procédé décrit à l'aide de la figure 2) être munies en surface d'une zone de diffusion peu profonde. La deuxième étape principale du procédé selon la présente invention consiste alors à effectuer des jonctions alliées notamment au niveau des zones fermées dans lesquelles des diffusions profondes n'ont pas été effectuées, ces Jonctions alliées s'étendant au moins sur une surface légèrement supérieure à celle desdites zones fermées. En outre, il a été observé par la demanderesse qu'une caractéristique à coude plus raide est obtenue quand la formation de la jonction par alliage est précédée d'une diffusion à très forte concentration d'un dopant du mEme type que celui qui va constituer l'alliage. Selon un mode préféré de réalisation de la présente invention, l'alliage sera fait avec de l'aluminium et la diffusion préalable sera une diffusion de bore de même que la diffusion profonde décrite précédemment. L'étape de formation d'une couche diffusée peu profonde c 'est-à-dire, par exemple, de 1,5 à 10 microns de profondeur, à forte concentration ne sera pas décrite en détail car la mise en oeuvre d'une telle étape est bien connue de l'homme de l'art. On notera en particulier que, dans le cas d'un dispositif obtenu par le procédé décrit en relation avec la figure 2, la prévision d'une éta- pe de diffusion peu profonde à haute concentration est inutile du fait qu'une telle diffusion a déjà été réalisée dans les zones fermées où il n'y a pas de diffusion profonde. Ainsi,après les étapes décrites ci-dessus,on dispose d'une structure telle que celle représentée en figure 4a, cette figure 4a ne représentant que la partie supérieure du dispositif au voisinage d'une bosse. Comme le représente cette figure 4a, le substrat 1 forme une bosse 4o surmontée d'une couche de diffusion 41 et entourée de couches de diffusion profonde 42. Le dispositif est alors prêt à être soumis à l'étape d'alliage. Selon un premier procédé d'alliage représenté en figure 4b, une couche d'alliage uniforme 43 est formée sur toute la surface du dispositif. L'alliage est formé à partir d'un pion d'aluminium d'une épaisseur dans la gamme de 5 à 15 microns; la température ma- ximale est de tordre de 850 à 1. 0500C et la descente en température jusqu'à la température où l'alliage n'évolue plus est d'une durée inférieure à 15 minutes.La jonction entre les couches 40 et 41 n'est pas représentée dans cette figure 4b du fait qu'elle devient imma térielle, étant noyée dans l'alliage. la couche di e peut ensuite être ouverte par attaque chimique selon les flèches 44 et le dispositif découpé pour former des diodes Zener individuelles, la jonc- tion active de ces diodes se trouvant à la limite de la couche d'alliage 43 et de la zone formant bosse 40 du substrat 1. Etant donne la profondeur de la diffusion 42, après l'étape de découpe, les bords du dispositif peuvent prendre une forme mésa et être pas~ sivés. Dans ce cas, la passivation permet notamment d'éviter les courts-circuits possibles au cours des étapes ultérieures d'encapsulation du dispositif.On notera que la profondeur de la couche alliée à l'aluminium est de tordre de 2 à 20 microns et est de pré férence de 3 à 10 microns. Ainsi, au niveau des points 45 et 46 où la couche alliée va s'arrgter et la couche de diffusion profonde continuer seule, la profondeur de cette couche de diffusion profonde est telle que la concentration en dopant (bore) est très élevée et qu'ainsi la jonction entre le substrat et la couche alliée ne présente pas d'effets de bords parasites. Selon un deuxième procédé, en partant toujours du dispositif représenté en figure 4a, une formation de jonction par alliage est effectuée sur des surfaces limitées du dispositif seulement au niveau des bosses du substrat. Une telle formation de jonction alliée localisée est représentée en figure 5a, et est désignée par la référence 50, les autres références ayant la même signification que celles de la figure 4a. Dans ce deuxième procédé, il est possible d'effectuer une pré-découpe du dispositif par attaque chimique entre les pavés alliés 50, comme cela est représenté par la limite d'attaque en traits pleins 51 de la figure 5b. Il est ensuite possible de faire une découpe des diodes Zener individuelles suivie d'une passivation ou également d'inverser ces deux dernières étapes. On obtient alors le dispositif de diode Zener tel que représenté en figure 5c, dont la Jonction active est la Jonction 52 limitée par les points 53 et 54. On Sonne à titre d'exemple quelques ordres de grandeur pour les dispositifs des figures 4b et 5c. Le diamètre des zones comprises entre les points 45 et 46 ou 53 et 54 est de ltor dre de 300 microns (compris entre 100 et 600 microns), les dimensions de la pastille telle que celle comprise entre les flèches 44 de la figure 4b ou de la pastille représentée en figure 5c sont de l'ordre du millimètre. Dans le cas de la figure 5c, le diamètre de la zone alliée est de l'ordre de 600 microns (compris entre 500 et 800 microns). Il est clair pour l'homme de l'art que, dans la description précédente, si on a décrit la formation de la couche inférieure 2 à fort dopage de m#me type que le substrat 1 comme antérieure aux différentes étapes du procédé relatives à la face supérieure du dispositif, ceci ne doit pas constituer une limitation de la présente invention, cette couche 2 pouvant si cela est préféré être formée à la suite de l'une quelconque des autres étapes du procédé selon la présente invention. D'autre part, on a décrit ici une diode Zener formée d'un substrat de type N; il est clair que les types de conductivité décrits peuvent entre tous inversés, il faut alors prévoir pour les dopants sur la face supérieure du dispositif des dopants de type N, c'est-à-dire des dopants autres que le bore ou l'aluminium. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent autre décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication de diodes Zener comprenant les étapes consistant - à prévoir un substrat de semi-conducteur d'un premier type de conductivité; - à former sur une première face de ce substrat une couche du premier type de conductivité; caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes a) former par diffusion sur des parties déterminées de la deuxième face de ce substrat une première couche profonde de l'autre type de conductivité, cette couche laissant des zones fermées de la surface non diffusées ou diffusées de façon peu profonde; b) former par diffusion sur la deuxième face du substrat une deuxième couche de l'autre type de conductivité au moins sur lesdites zones fermées selon une profondeur faible devant celle de la première couche;; c) former par alliage sur la deuxième face du substrat une troisième couche sur une surface au moins sensiblement supérieure à celle desdites zones fermées selon une profondeur inférieure à celle de la première couche et supérieure à celle de la deuxième couche. 2 - Procédé de fabrication de diodes Zener selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape a) se subdivise en les étapes suivantes - dépit sur la face supérieure d'un substrat d'un masque ayant sensiblement la forme de disques déposés; - attaque chimique de ce substrat de façon à laisser des bosses sous les parties protégées par le masque; - enlèvement du masque; - réalisation d'une diffusion profonde sur toute la surface du substrat, c'est-à-dire sur les bosses et les caviéés; - rodage de la face supérieure.du substrat de façon à obtenir une surface lisse dans laquelle des zones de substrat affleurent à des emplacements qui étaient initialement protégés par le masque. 3 - Procédé de fabrication de diodes Zener selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape a) se subdivise en les étapes suivantes - formation d'un masque ayant sensiblement la forme de disques séparés; - attaque chimique du substrat de façon à y ménager des bosses et des cavités; - enlèvement du masque; - dépôt d'une couche de silicium polycristallin; - rodage de cette couche pour obtenir une surface sensiblement lisse sur laquelle affleurent des zones de substrat correspondant sensiblement aux emplacements du masque ~; - formation d'une couche par diffusion. 4 - Procédé de fabrication de diodes Zener selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à roder la surface obtenue de façon à faire affleurer à nouveau le substrat dans des zones correspondant à celles sur lesquelles était déposé le masque. 5 - Procédé de fabrication de diodes Zener selon la revendication 1, caractérisé en ce que étape a) se subdivise en les étapes suivantes - dépôt sur le substrat d'un masque ayant sensiblement la forme de disques séparés; - attaque chimique du substrat pour y former des bosses et des cavités; - départ d'une couche épaisse de silicium polycristallin; - diffusion d'une impureté à partir de la surface de silicium polycristallin; - enlèvement par rodage de la couche supérieure du dispositif obtenu, de façon à enlever la couche supérieure de silicium polycristallin et le masque. 6 - Procédé de fabrication de diodes Zener selon la revendication 1, caractérisé en ce que la troisième couche alliée est formée sur toute la surface du dispositif, et en ce que,ensuite, la pastille semi-conductrice munie des différentes couches est découpée. 7 - Procédé de fabrication de diodes Zener selon la revendication 1, caractérisé en ce que la troisième couche alliée est formée seulement sur des surfaces sensiblement supérieures à celles desdites zones fermées, et en ce que, ensuite, une attaque chimique est réalisée entre les parties alliées qui servent de masque, une glassivation et une découpe ayant ensuite lieu. 8 - Procédé de fabrication de diodes Zener selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'impureté de diffusion est du bore et le métal d'alliage de l'aluminium. 9 - Diodes Zener alliées à anneau de garde diffusé, caractérisées en ce qu'elles sont obtenues selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10 - Diodes Zener caractérisées en ce qu'elles comprennent une jonction centrale alliée entourée d'une jonction diffusée en anneau à une profondeur plus grande, le dopage de la zone diffusée étant plus élevé que le dopage de la zone alliée à profondeur égale.