Brevet FR2382097A1 — publié le 19780922

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une diode semiconductrice du type P-I-N à partir d'une plaquette de matériau semiconducteur comportant au moins trois couches supexposées dont une couche d'un premier type de conductivité, une couche intermédiaire relativement épaisse et de forte résistivité et une couche de type de conductivité opposé au premier. Certaines applications importantes des diodes P-I-N notamment en hyperfréquences, comportent des montages de plusieurs diodes identiques en série. Lorsqu'une série de diodes P-I-N identiques est soumise à une tension inverse, il faut, pour que la répartition de la tension totale entre les différentes diodes soit équitable, que toutes les diodes aient la même résistance de fuite. Si, pour une meme fraction de tension a leurs bornes les diodes ont des courants de fuite différents, la répartition des tensions dans un montage série sera inégale et pourra entraîner la destruction d'une diode puis des autres diodes. Dans les diodes P-I-N de type plan, obtenues par découpage d'une plaquette plane, la résistance de fuite en inverse dépend notamment de la géométrie, de la nature et de l'état de la surface latérale de la couche intermédiaire dite intrinsèque; en effet, pour les tensions en inverse utilisées normalement, la zone désertée occupe toute l'épaisseur de cette couche intermédiaire, et la résistance de fuite dans ces conditions ne varie pas sensiblement avec la tension. Pour obtenir une résistance de fuite déterminée, constante, reproductible d'une diode à une autre, on a cherché à remplacer le mode classique de découpage d'une plaquette semiconductrice comportant les trois couches nécessaires, au moyen de rayures constituant des amorces de rupture, ou au moyen d'attaque chimique, ce qui donne des dispersions de waiers de résistances de fuite de l'ordre de 1 à 10 au moins, par un découpage mécanique ou autre, intéressant toute l'épaisseur de la plaquette et laissant la surface rugueuse brute de découpage, comme cela est décrit dans la demande de brevet français 2 268 355. Avec ce procédé, on obtient des diodes dont les valeurs de résistance de fuite présentent une moindre dispersion que celle des diodes obtenues par les autres procédés connus, mais dont les courants de fuite pour une tension inverse déterminée restent encore aléatoire nvec une dispersion de l'ordre de ; â 3 au moins; les valeurs des rcsistnces de fuite sont plutôt trop faibles pour beaucoup d'applications et l'on observe dans le temps une dégra- dation anarchique de ces valeurs de courant ou de résistance de fuite. La prnsente invention a principalement pour but de remédier aux inconvénients des procédrffis connus et d'an. éliorer les r#Ssultats obtenus par les procédés décrits ci-dessus. Le but est notamment d'obtenir des diodes P-I-N présentant des résistances de fuite déterninées, sans dispersion dans un meme lot de diodes identiques, de valeur relativement levée et stable dans le temps. Selon l'invention, le Procédé de fabrication dtune diode semiconductrice du type P-I-N a partir d'une plaquette de matériau semiconJucte#r comportant au moins trois couches superposées dont une couche d'un premier type de conductivité, une couche intermédiaire relativement épaisse et de forte résistivité et une couche de type de conductivité oppose au premier, est remarquable principalement en ce que le découpage d'une diode dans ladite plaquette, par des moyens mécaniques abrasifs d'enlèvement de matière, tra- versant toute l'épaisseur de la couche intermédiaire au moins,est suivi d'un traitement thermique de ladite diode dans une atmosphè re r#ductrice, a une température et pendant un temps suffisants pour modifier la résistance de fuite de ladite diode. Le traitement thermique réducteur a pour effet de réduire les états de surface dus à la perturbation superficielle du matériau par les moyens abrasifs utilisés pour le découpage. Les moyens abrasifs, tels que les meules, scies ou disques, tendent à provoquer des échauffements lôçalisés superficiels malgré les fluides de refroidissement souvent utilisés, et des oxydes complexes peuvent se former que le traitement thermique réducteur doit éliminer. Il est entendu que la présente invention n'est pas liée à l'explication qui vient d'être donnée des phénomènes mis en jeu et consiste essentiellement en la mise en oeuvre des moyens décrits ou des moyens techniques équivalents. Sous l'effet du traitement thermique selon l'invention7 la résistance de fuite de la diode est augmentée et l'on constate que, pour des diodes identiques, les courants de fuite sous une tension inverse donnée sont les même à très peu près, la disper sion des valeurs de courants de fuite étant bien moindre que pour des diodes non traitées. Il s'avère également que la résistance de fuite d'une diode traitée thermiquement selon l'invention est stable dans le temps, qu'elle n'évolue pas de façon aléatoire, comme c'est le cas pour des diodes non traitées, et qu'elle est stable en température, gardant la même valeur malgré les écarts de température qu'elle peut subir en fonctionnement. La température et la durée du traitement thermique doivent être suffisantes pour que le traitement agisse efficacement sur les états de surface des faces latérales de la diode. Elles doivent entre limitées, par contre, pour ne pas entrainer des risques de détérioration des régions de la diode ou des depots métalliques que la diode peut comporter. Un traitement à une température comcomprise entre 3000 et 5000 C, et d'une durée de 10 à 60 minutes convient dans la plupart des cas à des diodes découpées dans une plaquette de silicium comportant, en outre, des dépots métalliques de contact sur ses deux grandes faces. Dans une forme préférentielle de mise en oeuvre du procédé, l'atmosphère réductrice dans laquelle la diode découpée est trai téetcontient de l'hydrogène et est avantageusement constituée par un courant d'hydrogène pur ou d'hydrogène associé à un gaz porteur neutre, tel que l'azote. Il va de soi que la valeur de la résistance de fuite d'une diode, après le découpage et avant le traitement thermique, dépend des conditions du découpage. Un des moyens permettant dobtenir, après le traitement thermique, des valeurs de courant de fuite favorables à la plupart des applications importantes, bien reproduis tibles, homogènes dans un même lot de diodes,est le sciage à la meule diamentée, permettant, d'autre part, des découpes précises. Le sciage est obtenu avec une meule diamentée, en forme de disque mince et la profondeur de sciage intéresse au moins toute l'épais- seur de la couche intermédiaire. L'opération est conduite avec un arrosage abondant, à l'eau pure de préférence, pour éviter un échauffement exagéré de la plaquette découpée et de la meule. Des procédés de découpage par fil ou par lames alternatives peuvent etre aussi utilisés. Après le traitement thermique, il est préférable de protégé la surface de la diode et notamment la surface de la découpe qui conditionne la résistance de fuite, en la mettant à l'abri de 1' air, soit par encapsulation dans un gaz neutre sous capot étanche, soit par un revêtement isolant, plastique ou vitrifié, par exemple. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comment 11 invention peut être réalisée. La figure l est un diagramme montrant les courbes des valeurs de courant de fuite I en fonction des tensions inverses appliquées à des séries de diodes sans traitement thermique et après traitement thermique. La figure 2 est la vue en plan de la découpe d'une plaquette semiconductrice. La figure 3 est une coupe schématique d'une diode P-I-N. La figure 4 est une vue schématique indiquant un procédé de découpage. La figure 5 est une vue schématique indiquant un mode de traitement thermique. La figure 6 est une coupe schématique d'une autre diode P-I-N, de forme pyramidale. La figure 7 est le schéma d'un ensemble de diodes P-I-N identiques en série. Sur le diagramme de la figure I on a tracé les courbes des valeurs des courants de fuite mesurés sur des diodes P-I-N sous différentes tensions inverses. Les courbes situées entre les courbes l et 2 incluses concernant les diodes d'un lot de diodes identiques, de mêmesdimensions, découpées dans la meme plaquette, n'ayant pas subi de traitement thermique1 les courbes situées entre les courbes 3 et 4 incluses concernent des diodes du même lot, de mêmes dimentions, découpées de la même façon dans la meme plaquette, après un traitement thermique selon l'invention. On constate que les diodes traitées ont un courant de fuite plus faible et que les valeurs comprises entre I3 et 14 en sont beaucoup moins dispersées que celles des valeurs de courant de fuite des diodes non traitées, comprises entre Il et 12. Les diodes sont découpées dans un plaquette semiconductrice, par exemple une plaquette sensiblement circulaire il (figure 2) ayant les deux faces principales planes et comportant trois couches, visibles sur la coupe d'une des diodes découpées représentées sur la figure 3 : une couche supericielle 12, â forte concentration dtimpureté, d'un premier type de conductivité,par exemple de type N , obtenue le plus souvent par diffusion, puis une couche épaisse intermédiaire 13, souvent appelée couche intzir# sèque, du fait que le matériau semiconducteur y est très peu dopé, ce qui lui confère par exemple le type P, mais avec une très forte résistivité, et une troisième couche 14 du second type de conduc tivité et fortement dopeede type P+ dans cet exemple, obtenue par diffusions ou parfois par dépot épitaxique. La plaquette peut être munie de couches métalliques de contact 18, 19, sur chacune des grandes faces. La plaquette Il est découpée en éléments carrés 15; pour cela, elle est sciée selon des tracés parallèles équidistants 16 puis selon des tracés perpendiculaires 17, au moyen d'une scie diamantée 18 (représentée sur la figure 4, selon les deux directions orthogonales qu'elle est amenée à prendre). La scie 18 est serrée entre deux flasques 19 et montée sur un axe 20 tournant à grande vitesse. La plaquette il est fixée au moyen d'une colle 21 sur un plateau 22. Les mouvements de la scie, de rotation d'une part et d'avance d'autre part, sont indiqués par les flèches 23 et 24, la hauteur de la scie par rapport à la plaquette étant telle que la totalité de l'épaisseur de la plaquette est entamée.Un arrosage abondant, à l'eau pure, est prévu en 25 Le tronçonnage a' la scie diamantée est une opération connue en elle même et n'est pas ici décrite plus en détail. Après découpage et décollement du plateau par lavage au trichlorethylène pour éliminer la colle 21, les diodes élémentaires 26 sont placés sur un support 27 (fig.5) qui est placé dans l'enclin te fermée 28 d'un four #O. L'enceinte 28 est munie d'une arrivée de gaz 30, par exemple un mélange hydrogène-azote qui s'échappe par la sortie de gaz 31.L'enceinte 28 est portée à une température comprise entre 3000 et 5000C et y est maintenue pendant un temps compris entre 10 et j0 minutes, par exemple la température est 4006 C et la dure 13 minutes.Les faces latérales 32, brutes de sciage, des diodes élémentaires, sont ainsi soumises à l'atmosph~- re réductrice, à tem rrature relativement .lev~e et la zone superficielle 33 de ces faces latérales est modifiée, si bien que la résistance de fuite des diodes, dont cette zone est le facteur principal, est augmentée, régulée et stabilisée. Après le traitement thermique, les diodes sont encapsulées dans un isolant plastique, par exemple. La figure 6 représente une variante de réalisation des diodes qui peuvent être découpées dans une plaquette du type représenté sur la figure 2. Ces diodes à profil en trapèze comportent également une couche épaisse 43, de forte résistivité, entre deux couches très dopées de types de conductivité opposés 41 et 44 et les grandes faces sont revêtues de dépôts métalliques de contact ; elles présentent, à épaisseur égale, une face latérale 42 et une zone latérale 45 de plus grande largeur que la diode de la figure 3, et de ce fait, la résistance de fuite en est plus élevée, bien que la couche superficielle 41, la couche intermédiaire 43 et la couche inférieure 44 aient les mêmes caractéristiques que les couches de la diode de la figure 3.Ces diodes à faces latérales inclinées sont obtenues par les mêmes opérations de sciage et de traitement thermique, mais la scie utilisée présente un profil en V au lieu d'avoir les faces actives parallèles. Lorsque plusieurs diodes identiques sont mises en série comme sur le schéma de la figure 7, si ces diodes sont réalisées selon les techniques habituelles où le découpage est obtenu par des rayures servant d'amorce de rupture et une séparation selon ces rayures, suivie d'un dépôt éventuel de passivation, les résistances de fuite u à Rx, représentées en traits discontinus sur la figure 7, sont très élevées mais de valeur aléatoire et les ten sions inverses aux bornes des diodes VA... Vx s'établissent de manière anarchique, ce qui peut aller jusqu'à la destruction de certaines diodes, si la tension totale VN aux bornes de l'ensemble des N diodes est très élevée. Si ces diodes sont obtenues par le procédé selon l'invention, les résistances de fuite sont toutes comprises dans une gamme de valeurs très étroite et la tension totale VN se répartit en valeurs égales VAr Vg, Vc,... VX entre les N diodes ; par exemple, si 50 diodes identiques sont mises en série, une tension inverse de 2500 volts peut être appliquée aux bornes de l'ensemble, chaque diode ayant alors à ses bornes une tension inverse de 50 volts avec des écarts inférieurs à 10 volts, en plus ou en moins. Ce résultat est obtenu notamment avec des diodes d'une surface de 400 m x 400 um en silicium dope à quelques 1020 atomespar cm pour la couche superficielle N+ et pour la couche inférieure P+.La couche intermédiaire intrinsèque est dopée à environ 1013 atomes par cm et a une épaisseur de 100 pm et une résistivité de quelques 103 Qcm. Les couches N+ et P+, fortement dopées, sont obtenues par diffusion d'impureté et les grandes faces sont revêtues de couches métalliques de contact, par exemple de couches de chrome, de nickel et d'or déposées sur la plaquette, avant sciage, par évaporation sous vide. Le sciage est obtenu avec une meule diamantée de grain de 2 à 5 m et de diamètre 60 mm tournant à plusieurs milliers de tonriminute, avec une avance de l'ordre de 15 mm par seconde et avec un arrosage abondant à l'eau pure. Le traitement thermique est effectué dans un courant d'hydrogène entraîné par de l'azote, à 400 C pendant 15 minutes. Les faces latérales sont enfin protégées par un enrobage de résine époxy, effectué à température relativement basse, qui ne modifie pas pratiquement les valeurs de résistance de fuite des diodes. Les diodes ainsi réalisées ont, sous une tension inverse de 50 volts, des courants de fuite de valeurs comprises entre 500 nA au moins et 700 nA au plus. REVENDICATION l- Procéda de fabrication d'une diode semiconductrice du type P-I-N a' partir dtune plaquette de matériau semiconducteur, comportant au moins trois cotices superposées dont une couche d'un premier type de conductivité, une couche intermédiaire-relativement épaisse et de forte résistivité et une couche de type de conductivité opposé au premier, caractérisé en ce que le découpage d'une diode dans la dite plaquette, par des moyens mécaniques abrasifs d'enlèvement de matière traversant au moins toute l'épaisseur de la couche intermédiaire, est suivi d'un traitement thermique de ladite diode, dans une atmosphère réductrice, à une tempéra ture et pendant un temps suffisants pour modifier la résistance de fuite de ladite diode. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la diode est soumise, après découpage, à un traitement thermique dans une atmosphère contenant de l'hydrogène et un gaz neutre. 3- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la diode est soumise, après découpage, à un traitement thermique dans un courant d'hydrogène entraîne par de l'azote. 4- Procédé selon l'une des revendicatioN l à 3, caractérisé en ce que la diode est soumise, après découpage, à un traitement thermique à une température comprise entre 3000 et 5000 C. 5- Procédé selon la revendication4, caractérisé en ce que la diode est soumise, après découpage, au traitement thermique pendant une durée comprise entre 10 et 60 minutes. 6- Procédé selon l'une des revendications l à 5, caractérisé en ce que la plaquette est découpée par sciage à la meule diamantée avec arrosage et les diodes sont ensuite nettoyées et soumises au traitement thermique. 7- Procédé selon l'une des revendications l à 6, caractérisé en ce que la plaquette est munie sur ses deux grandes faces de couches métalliques de contact, avant d'être découpée. 8- Procédé selon l'une des revendications l à 7, caractérisé en ce que, après le traitement thermique, la surface latérale de la diode est protégée par un enrobage de résine isolante.