Brevet FR2337424A1 — publié le 19770729

L'invention a pour but de faciliter la réalisation de disposai. tifs comportant des diodes "tete-bêche", c'est-à-dire des diodes serulconductrices de dimensions identiques, de structures analogues et placées coMe-à-cote, mais présentant deux à deux des types de conductivités inverses pour les couches semiconductrices rencontrées dans lesdites structures. Il s'agit notamment de diodes de type " mésa ", deux structures P I N+ étant placées cote-à-cote. On sait que d'excellents résultats en ce qui concerne la limitation passive de paissance en hyperfréquence sont obtenus, surtout pour les fortes puissances, en utilisant deux diodes placées "tête-bêche"dans le même plan électrique entre conducteiz de ligne et masse, ainsi que la demanderesse lla divulgué notamment dans le brevet N0 2 133 169 déposé le 9 Avril 1971.Dans le cas de lignes de transmission du type "microbande" ( microstrip de la terminologie anglosaxonne ) les diodes sont disposées "tête-bêche" perpendiculairement au sens de propagation sur la ligne. Etant donné les faibles dimensions de ces lignes, en hyperfréquence, la réalisation et le montage des diodes unitaires des deux polacttes sont délicats et demandent une main d'oeuvre très spécialisée. L'invention permet d'obtenir-des blocs semiconducteurs comportant une ou plusieurs paires de diodes "tôte-beche", en utilisant un procédé de fabrication partant d'une rondelle de matériau semi- conducteur monocristallin composée de deux couches d'égale épaisseur dopées respectivement P+ et N+. On découpe dans cette rondelle des lamelles à deux faces parallèles entre elles et perpendiculaires aux faces plane de la rondelle.Sur l'une de ces faces1 on fait croître par épitaxie une couche à forte résîstivité N ou P, pou- vant ôtre pratiquement considérée comme une région de semicorduc- teur "intrinsèque"-. On obtient ainsi un bloc allongé comportant deux récrions respectivement pf et NF, contigties, recouvertes d'une région "întrinsèque".Dans obaque région on forme, par une méthode connue des diodes " mésa " de type N IP ou P Ijù suivant la région. le bloc peut éventuellement etre découpé en pièces comportant une ou plusieurs paires de diodes. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaitront au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels - la figure 1 est relative à l'art connu - les figures 2 et 3 représentent des étapes caractéristiques du procédé selon l'invention; - la figure 4 représente un bloc semiconducteur fabriqué par le procédé selon l'invention; - les figures 5, 6 et 7 représentent des montages particuliers de diodes fabriquées selon le procédé de l'invention. La figure 1 ( comportant une vue par dessus en a, et une coupe AA1 en b ) illustre un montage connu de limiteur de puissance utilisant une paire de diodes unitaires "tete-beche" sur une ligne microstrip 1, comprenant, de façon classique, un substrat en céramique 10, une face inférieure 11 entièrement métallis-é, et une bande conductrice 12 occupant la partie médiane de la face supérieure du substrat. Cette bande est interrompue de part et d'autre d'un trou 13 pratiqué dans le substrat pour permettre Ilntroductio d'un culot métallique de masse 14 soudé à la face 11.Sur ce culot, dont la face supérieure est au niveau de la bande 12, on soude par leur substrat deux diodes 15 et 16 de types PIN et WIP. les électrodes de ces diodes "mésa" sont connectées aux deux tronçons de la bande 12 par des fils ou rubans conducteurs 17 et 18. Figure 2, on a représenté une rondelle 20 en silicium monocristallin comprenant deux couches 21 et 22 d'égale épaisseur, dopées respectivement P+ et N+. On choisit de préférence deux impuretés de dopage ayant le môme coe2ficient de diffusion; à cet égard le bore et le phosphore conviennent très bien. Cette rondelle, qui constitue le matériau de dipat du procédé selon l'invention, est obtenue de façon classique par épitaxie de silicium P sur un substrat N ou vice versa avec la particularité que le substrat est très mince (1 / 10 à 2 / 10 de mm.).Sur la meme figure on a dessiné deux lamelles 23 et 24 obtenues en sciant la rondelle perpendiculairement aux grandes faces parallèles suivant des traits parallèles 25, 25 et 27 espacés d'environ 100 à 150 microns.Les plans de sciage sont des plans cristallographiques par exemple des plans 1 0 0 avec une légère désorientation pour favoriser 1' épitaxie ultérieure. Après séparation des lamelles ainsi obtenues et polissage de leurs flancs ( présentant par moitié un dopage N+ et un dopage P ) on dépose par épitaxie une couche très faiblement dopée N ou P, donc de très haute resistivité, sur l'un de ces flancs. La figure 3 représente partiellement la lamelle 23 ayant subi le traitement indiqué sur son flanc 25. L'épaisseur de la couche épitaxiale 251 est d'autant plus grande que l'on désire pour les futures diodes une tension de claquage plus élevée. Cette épaisseur au stade final est de l'ordre de 1 uni pour 15 à 20 volts de tension. Cette couche est donc déposée simultanément sur deux substrats 231 ( P ) et 232 ( N ) placés c-ôte-à-cote. Figure 4, on#a représenté le résultat de la formation rre diodes "mésa" sur les deux substrats de la lamelle 23. On trouve une structure analogue sur chaque diode, par exemple sur la diode repérée 401 (au-dessus du substrat P+) une métallisation supérieure 41, puis une couche 252 dopée N et qui serait dopée P si l'on avait affaire à une diode de substrat-N+, enfin un fragment de forme circulaire de la couche 251 représentée figure 3 et correspondant à la couche intrinsèque d'une diode NIP.Au-dessous deceUe coche le flanc de la msasir; rondit dans la couche superficielle du substrat P+ qui a été luimême attaqué par l'agent de découpe mésa On a résumé ci-après les principales étapes de quelques méthodes permettant d'obtenir le résultat représenté figure 4. Première méthode a ) Constitution de "ronds" de Si3 N4 par dépôt préalable en phase vapeur de nitrure de silicium sur la couche épitaxiale 251 figure 3) puis obtention de ces ronds, par résine photosensible, exposition et développement photographique puis attaque chimique ou usinage ionique b) Attaque "mésa" du silicium non protégé par Si3 N4; c) Oxydation des flancs "mésa" pour obtenir une couche de silice; d) Elimination de Si N sur la partie de la lamelle située +34 du côté du substrat N e) Diffusion d'un agent dopant P pour obtenir une région P sur chaque sommet de table mésa du côté de la lamelle à substrat N f) Elimination de Si3 N de l'autre côté-de la lamelle;; g) Diffusion d'un agent dopant N pour obtenir une région N+ sur chaque sommet de table mésa du côté de la lamelle à substrat P+; h) Métallisation des sommets après désoxydation de asx-ci par un procédé connu Deuxième méthode a) Dépôt de silice dopée P ( par exemple Si O, dopé au bore formé en phase vapeur, sur une bande située dans la partie de la couche 251 recouvrant le substrat N b) Dépôt d'une couche protectrice de silice non dopée sur toute la surface c) Elimination de la couche protectrice déposée en ( b ), sauf sur la bande d'oxyde dopé; d) Dépôt de silice dopée N ( par exemple Si 02 dopé au phosphore ) sur toute la surface;; e)Elimination de l'oxyde déposé en ( d ), sauf sur une bande située dans la partie de la couche 251 recouvrant le substrat f) Traitement thermique réalisant la double diffusion; g) Attaque "mésa" et passivation par du verre déposé en phBevapeur. Remarque : La métallisation des sommets des "mésa" peut être réalisée soit AV;gE le dépôt de verre, qu'il faut éliminer ensuite des sommets, soit APRES ce dépôt par photogravure du verre recou vrant lesdits sommets. Cette remarque est valable également pour la troisième méthode Troisu méthode Elle diffère de la deuxième méthode par le fait que la diffusion par ##oes dopées est remplacée par deux épitaxies distinctes opérées successivement sur l'une et sur l'autre moitié de la couche 251. A titre d'exemples d'application non limitatifs, on décrit ciaprès successivement le cas d'un limitateur de puissance à deux diodes, à plusieurs paires de diodes, puis le cas de deux diodes en série. Dans le cas du montage de la figure 1, si on se limite à deux diodes, on sciera la lamelle représentée figure 4 de manière à obtenir un bloc de deux diodes P I v et N I P+ c8te-à-côte. Ce bloc est plus facile à monter que deux diodes unitaires et occupe moins de place ce qui permet de diminuer le diamètre du trou 13 et du culot 14 ainsi que les longueurs des fils ou rubans 17 et 18, ce qui contribue à diminuer avantageusement ltinductance propre des connexions. Dans le môme montage, on peut monter un bloc de plusieurs paires de diodes sur un culot ayant les dimensions de celui représenté figure 1 ou même plus petit. On scie la lamelle représentée figure 4 de façon à obtenir un bloc comportant le nombre de paires de diodes désiré. Enfin un bloc de deux diodes découpé dans le dispositif représenté figure 4 peut être monté soit en série électrique, soit en série "parallèle" . Si les métallisations des sommets "mésa" sont munies de connexions 51 et 52 ('figure 5 ) on a suivant le cas le schéma équivalent de la figure 6 ou de la figure 7. Dans le cas du montage "série" ( figure 6 ) les substrats des diodes sont isolés électriquement tout en étant mis à la masse au point de vue thermique, par exemple grâce à un socle en oxyde de béryllium. Dans le cas du montage "série-parallèle" ( figure 7 ), les diodes sont mises à la masse à la fois au point de vue électrique et thermique. le substrat commun reçoit une métallisation 53, puis est soudé sur un socle métallique 54(figure 5). De tels montages sont utilisables avec des diodes à capacité variable du type "varactor" ou varicap". REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un bloc semiconducteur comportant une ou plusieurs paires de diodes "tête-beche", en partant d'une rondelle de matériau semiconducteur mono cristallin composé de deux couches d'égale épaisseur dopées respectivement P et N+, caractérisé en ce qu'on découpe dans ladite rondelle des lamelles à deux faces parallèles entre elles et perpendienlaires aux faces pl3Waes de ladite rondelle, que sur l'une desdites faces on fait croître par épitaxie une couche à forte résistivité, obtenant ainsi ledit bloc comprenant à ce stade seulement deux régions contigües res pectivement N et P+, et que, dans chaque région, on forme par une méthode connue des diodes "mésa" de type N I P+ ou P+ I N+ suivant la région. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les agents de dopage P+ et N+ ont sensiblement le même coefficient de diffusion. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit bloc est finalement découpé en pièces comportant au moins une paire de diodes de type P+ I N et N I P+. 4. Procédé suivant l'une des revendications precédentescarac- térisé en ce que ledit matériau semiconducteur est le silicium, dopé par des agents tels que le bore et le phosphore. 5. Dispositif comportant au moins un bloc fabriqué par un procédé suivant l'une des revendications précédentes. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un bloc d'une ou plusieurs paires de diodes montées en limiteur de puissance hyperfréquence. 7. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une paire de diodes montées en série. 8. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une paire de diodes montées en sérieparallèle.