Brevet FR2321771A1 — publié le 19770318

L1invention concerne un procédé de fabrication de diodes empilées et un dispositif destiné à fonctionner en hyperfréquence, obtenu à l'aide de ce procédé. On connait l'intérêt qu'il peut y avoir, dans certains dispositifs à utiliser deux ou plusieurs di odes en série, notamment dans le domaine des ondes d'hyperfréquence, avec les diodes à capacité variable applées varactors dans la teminologie anglo-saxonne. Le brevet déposé par la demanderesse le 15 Avril 1971, sous le N 71 13249, intitulé "Empilement de n diodes varactors montées électriquement en série", fournit une solution améliorée au problème de l'écoulement du flux thermique dans un empillage de deux diodes (éventuellement n) comportant des entretoises en oxyde de beryllium et de disques inter calvaires en métal conducteur de la chaleur et de l'électricité. Cette solution comporte encore cependant les inconvéniéntes suivants : - nécessité d'utiliser un boîtier spécial pour chaque empilage (souvent plus volumineux même dans le cas de deux diodes que la diode prise isolément) ; - résistance thermique augmentée par la présence des supports inter- culaires malgré la présence des entretoises en oxyde de béryllium - inductance propre des connexions accrue par les dimensions et la compléxité du dispositif à diodes empilées. L'invention remédie à ces inconvénients. Le procédé selon l'invention part d'au moins deux plaquettes semi conductrices (D dans le cas d'un dispositif à n diodes empilées). La première plaquette est prise comme base du dispositif ; elle est destenée à être soudée sur un socle de dissipation thermique. Elle comporte un substrat fortement dope N+ ou P+ et au moins une couche (Z) moins épaisse et moins fortement dopée que le substrat. La deuxième plaquette comporte un substrat fortement dopé, de type de conductivité opposé à celui de la première plaquette, et au-moins une couche (Z) identique à la couche (Z) de la première plaquette. (Dans le cas de n diodes, une troisième, quatrième . . nième plaquettes sont identiques alternativement à la lere et à la 2eme plaquette. lie procédé est caractériBé en ce qu'il comporte au moins les opérations suivantes (1) réalisation d'un contact ohmique comportant une couche semi conductrice fortement dopée d'un type de conductivité opposé à celui du substrat, formé sur la surface libre de la couche (Z) de chacune des plaquettes (2) soudure de la deuxième plaquette sur la première, en rapprochant les surfaces traitées à l'opération (l) (3) rodage du substrat de la deuxième plaquette. Dans le cas de n diodes, on répète les opérations (2) et (3) en soudant la troisième plaquette sur la deuxième, puis la quatrième sur la troisième, et ainsi de suite. A titre d'exemple non limitatif, dans le cas d'un empilage de deux diodes, le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes (a) épitaxiesurun substrat dopé N+ de manière à constituer la couche (Z), dopée N ou P, de ladite première plaquette' (b) déport ou formation d'une couche P+ bordant la couche (Z) de la première plaquette (c) métallisation de la couche P+ de la première plaquette (d) épitaxiesur un substrat dopé P+ de manière à constituer la couche (Z), dopée N ou P, de la deuxième plaquette (e) dépot ou formation d'une couche N+ bordant la couche (Z) de la deuxième plaquette (f) métallisation de la couche N+ de la deuxième plaquette (g) soudure des deux plaquettes parexe$e part thermocompression ou par bras-re en rapprochant les faces métallisées aux' étapes (c) et (f) (h) rodage du substrat P+ jusqu'à ce que son épaisseur soit-du même ordre que celle de la couche (Z) adjacente (i) métallisation de la plus grande face limitant le-substrat N (j) formation de dépôts métalliques sur'le substrat (k) attaque ',mésa" du matériau semi conducteur au droit des dépôts métalliques formés à I'étape (j), en laissant subsister ceux-ci, puis en protégeant les flancs "mésa" par dépôt diélectrique ; (1) sciage de la plaquette obtenue à l'étape (k) de façon à obtenir autant de dispositifs à diodes empilées qu'il y a de dépôts métalliques formés à l'étape (j). L'invention sera mieux comprise au moyen des explicationsqui suivent, et des dessins qui les accompagnent, parrn lesquels lies figures 1 à 8 représentent, en coupes partielles, différentes 'éta- pes d'un exemple de réalisation collective de dispositifs à deux diodes empilées selon le procédé de l'invention La figure 9 -constitue une variante de l'étape représentée figure 8 La figure 10 représente la coupe transversale d'un dispositif unitaire tiré du dispositif collectif de la figure 8. Ma plaquette représentée en coupe partielle (figure 1) comporte un substrat I en matériau semi conducteur, par exemple du silicium fortement dopé (par exemple impuretés N de densité supérieure à 1019 at/cm3). @ Son épaisseur est par exemple de l'ordre de 2/10 mm de façon à permettre la manipulation -de la plaquette sans la briser trop facilement. Sa surface est de ordre de quelques centimètres carrés. Revêtue de la couche Z, repérée 2, d'épaisseur bien inférieure (de 11 ordre, par exemple, de I à 10 microns), la plaquette dessinée figure I représente le stade obtenu en fin d'étape (a). De façon analogue, on a,figure 4, un substrat repéré 11, dopé P+avec une densité comparable à celle du substrat v précédent et d'une épaisseur comparable. Revetu d'une couche Z repérée 12, il représente le stade obtenu à la fin de l'étape (d). lie dopage N ou P des couches Z est par exemple de l'ordre de 10 'I'à 1016 at/cm3 ; leur épaisseur est de l'ordre des quelques dixièmes de microns, voire de quelques microns. La couche Z peut dans certains cas être plus complexe - type N à prolo variable pour varicap hyperabrupt - couche N et couche P pour diodes à avalanche à deux espaces de glissement. lies figures 2 et 5 correspondent respectivement aux étapes (b) et (c), le dopage des couches 3 (P+) et 13 (inti+) est du même ordre que celui du substrat, le type de conduction étant toutefois opposé à celui du substrat dans chaque plaquette. épaisseur de ces couches est de l'ordre du micron, éventuellement de quelques microns. Ces couches peuvent être obtenues par diffusion dans les zones Z ou par épitaxie sur les zones Z. lies figures 3 et 6 correspondent respectivement aux étapes (c) et (f). lies couches métalliques 4 et 14 sont coiistituées par exemple par une mince couche de chrome (couche dite d'arrêt) revêtue d'une couche d'or plus épaisse, par exemple de l'ordre du micron. Plusieurs méthodes de métallisation sont possibles : évaporation, pulvérisation cathodique ou électrolyse. la figure 7 représente le dispositif obtenu à la fin de l'étape (g) de soudure par thermocompression. En retournant le dispositif on obtiendrait un dispositif dit de polarité inverse. En supposant que la face à souder sur un socle de dissipation thermique soit celle -ru substrat N+, on aurait un dispositif à polarité dite normale, l'ordre des couches étant PZNPZN en se rapprochant du socle. lie dispositif de la figure 7 pourrait être utilisé théoriquement comme composant électronique à deux diodes empilées-en métallisant les deux substrats sur leur face-libre et en procédant à une attaque 11mésa" du côté opposé au socle de dissipation thermique. Toutefois l'épaisseur de la couche constituée par le substrat P4 (figure 7) est trop grande pour que le composant électronique ainsi obtenu ait des caractéristiques intéressantes, notamment en ce quicon- cerne la dissipation thermique. Pour éviter cet inconvénient, on procède au rodage du substrat r par une des méthodes connues (mécanique, chimique)-ou par une binaison d'entre elles. On obtient ainsi une couche 110 dopée P d'une épaisseur de l'ordre de quelques microns à une dizaine de moins (dWpekD l'étape (i) de métallisation-peut avoir lieu à l'issue de l'étape (h) ainsi qu'il a été dit plus haut ; mais également cette étape peut être confondue avec l'étape (c). On obtient en tout cas une couche métallique 80 analogue à la couche 4. Dans une variante de l'invention, on métallise le substrat P (figure 9 ) en déposant une couche métallique 9C analogue à la couche 80, et en rodant le substrat N+ pour obtenir une couche 10 analogue à la couche 110 du dispositif de la figure 8. Dans les explications qui précèdent, on peut admettre que les plaquettes semiconductrices des stades de départ (étapes a et d) sont choisies de dimensions assez grandes, en ce qui concerne leurs grandes faces, pour permettre la fabrication simultanée de nombreux dispositifs tels que celui de la figure 10. On n'a pas représenté les étapes (j), (k), et (1) déjàmentionnées, qui permettent d'aboutir au dispositif de la figure 10. On retrouve figure 10 les couches du dispositif de la' figure 8, surmontées d'une couche de métallisation 100. lie flanc "mésa" a un profil 101 qui se prolonge au coeur du substrat N . lia table "mésa" a une forme approximative de tronc de cône dont la petite face constituée par le dépôt 100 a par exemple un contour circulaire ou en forme de carré aux angles arrondis. lies flancs sont protégés par un dépôt 102 de matériau diélectrique capable de résister aux effets calorifiques au cours du fonctionnement du dispositif. On peut aussi à partir de l'étape (j) appliquer le procédé décrit par le brevet déposé le 29 Octobre 1971 par la demanderesse sous le N 71 39037 sur les "Dispositifs à jonction semi conductrice de type ',mésa" présentant deux faces planes et leur procédé de fabrication". Suivant ce procédé, après l-'attaque "mésa", on dépose un matériau dié lectrique recouvrant les dép8ts métalliques formés au cours de l'éta- pe précédente. On rode ensuite ce matériau jusqu'à la mise à nu de la partie supérieure des dépôts métalliques. Dans ce cas le dispositif obtenu se présente sous la forme d'un parallélépipède ou d'un cylindre à deux grandes faces planes de même surface. Dans le cas de n diodes en série, on répète n - 1 fois les étapes (d), (e), (f), (g), et (h) décrites plus haut. L'invention s'applique à des diodes très diverses - diodes à récupération rapide, dites "snap-off" en terminologie anglo-saxonne - diodes "varactors" du type abrupt ou hyperabrupt - - diodes à avalanche. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de diodes empilées destinées à fonctionner en hyperfréquence, à partir d'au moins deux plaquettes semi conductrices, une première plaquette étant prise comme base du dispositif de diodes empilées à réaliser, base devant être soudée sur un socle de dissipation thermique, ladite première plaquette comportant un substrat fortement dopé N ou P+ et au moins une couche (Z) moins épaisse et moins fortement dopée que le substrat, une deuxième plaquette c.sm- portant un substrat fortement dopé, P ou N+, d'un type de conductivité opposé à celui de la première plaquette, et au moins une couche (z) identique à la couche (Z) de la première plaquette, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins les opérations suivantes : (1) réalisation d'un contact ohmique et d'une jonction comportant une couche métallique sur une couche semiconductrice fortement dopée d'un type de conductivité opposé à celui du substrat, formé sur la surface libre de la couche (z) de chacune des plaquettes (2) soudure de la deuxième plaquette sur la première, en rapprochant les surfaces traitées à l'opération (î) (3) rodage du substrat de la duexième plaquette, puis mAnl1;sat7rn dudit substrat 2.Procédé suivait la revendication I, caractérisé en ce que, ledit dispositif comportant n diodes empilées, on part d'une troisième, d'une quatrième.., d'une nième plaquettes constituées alternativament comme lesdites 1ere et deuxième plaquette, et que répète les opérations (1), (2) et (3) successivement pour la troisième, la quatrième... la nième plaquette. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes (a) épitaxie d'un substrat fortement dopé, d'un premier type de conductivité, de manière à constituer la couche (Z) de la première plaquette (b) dépôt ou formation, sur la face libre de la couche (Z) d'une couche semi conductrice fortement dopée, d'un type de conductivité opposé à celui du substrat de la première plaquette ;; (c) métallisation de la couche formée ou déposée à l'étape (b) -(d) épitaxie d'un substrat fortement dopé, d'un type de conductivité opposé à celui du substrat de la première plaquette, de manière à constituer la couche (Z).de la deuxième plaquette (e) dépôt ou formation, sur la face libre de la couche (Z) de la deuxième plaquette, d'une couche semi conductrice fortement dopée, d'un type de conductivité opposé à celui du substrat de ladite plaquette (f) métallisation de la couche déposée à l'étape (e) (g) soudure de la deuxième plaquette sur la première plaquette par thermocompression exercée en rapprochant les faces métallisées aux étapes (c) et (f) (h) rodage du substrat de la deuxième plaquette jusqu'à ce que s-n épaisseur soit du même ordre que celle de la couche (Z) adjacente (i) métallisation de la plus grande face limitant le substrat de la première plaquette (j)-formation de dépôts métalliques sur le substrat rodé à l' étape (h) (k) attaque "mésa" du matériau semi conducteur au droit des dépôts métalliques formés à l'étape (j), en laissant subsister ceux-ci et en protégeant ensuite les flancs mésa par dépôt diélectrique (l) sciage de la plaquette obtenue à l'étape (k) de façon à obtenir autant de dispositifs à diodes empilées qu'il y a de dépôts métalliques formé à l'étape (j). 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la métallisation de l'étape (i) est effectuée en même temps que celle de l'étape (c). 5. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape (k) liattaque 'mésa" est suivie d'un dépôt de maté- riau diélectrique recouvrant lesdits' dépôts métalliques, l'ensemble étant ensuite rodé jusqu'à mise à nu desdits dépôts. 6. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que.la couche (Z) est du type N 7. Procédé suivant l'une des revendications I à 5, caractérisé en ce que la couche (Z) est du type P. 8. Procédé suivant l'une des revendications I à 5, caractérisé en ce que la couche (Z) est du type N à profil variable. 9. Procédé suivant l'une des revendications t à 5, caractérisé en ce que la couche (Z) est constituée par la superposition d'une couche N et d'une couche P. 10. Dispositif hyperfréquence caractérisé en ce qu'il est fabriqué par un procédé suivant l'une des revendications I à 7.