Brevet FR2365882A1 — publié le 19780421

L'invention concerne un procédé de passivation de disposi- tifs à semiconducteurs et les composants électroniques obtenus par ledit procédé. La fiabilité des composants électroniques à semiconducteurs est améliorée par l'existence d'une protection du matériau semiconducteur actif par une couche dite "passivante" ou'klassivante" en vocabulaire echique, selon qu'il s'agit d'un diélectrique en général ou d'une couche vitreuse à base de silice, de borosilicate, de phosphosilicate ou deboro -phosphosilicate. Or il existe un problème délicat de résistance aux contraintes brutales de dilatation et de refroidissement, notamment au moment même du dépôt, à chaud, de l'agent de passivation. On observe des cassures lorsque le coefficient de dilatation de l'agent de passivation est différent de celui du semiconducteur. En effet on a les ordres de grandeur suivants pour les agents de passivation silice : 5 millionièmes par degré Celsius ; silicates : coefficient de dilatation -généralement inférieur à 5.10 6 Si3 N4 : 3 millionièmes par degré Celsius ; alors que les coefficients de dilatation des semiconducteurs sont de 4,2 . 10 6 par degré Celsius pour le silicium ; 5,7 . 10 6io#6 par degré Celsius pour l'arséniure de gallium. Bien que le coefficient de dilatation de la silice soit assez voisin de celui de l'arséniure de gallium, la silice à l'état pur n'est pas utilisable telle quelle en raison de sa perméabilité à la vapeur d'eau et à certains ions alcalins responsables de fréquents défauts de fiabilité.Les verres au silicate, qui sont au contraire imperméables, présentent un coefficient de dilatation inférieur à celui de la silice (5.10-6/ C), ce qui permet de trouver une solution dans le cas ou le matériau sem#conducteur est le silicium (4,2.10 6/oC). te probleme de la passivation de l'arséniure de gallium n'est pas résolu de façon satisfaisante par les verres au silicate, en raison du désaccord entre les coefficients de dilatation ; les risques de cassure en cours de fabrication sont de plus accrus par la dureté propre à l'arséniure de gallium. On sait par ailleurs réaliser des couches isolantes et éventuellement passivantes, en utilisant le même matériau semiconducteur que celui du composant électronique à protéger, et cela en déposant sur ce dernier une couche polycristalline du matériau rendue isolante par un traitement approprié. Cette solution est applicable tant au cas du silicium qu'à celui de l'arséniure de gallium. Toutefois elle présente l'inconvénient que le dépôt polycristallin recouvre uniformément le composant électronique, ce qui nécessite soit un masquage préalable, soit un polissage localisé quand cela est possible, soit enfin une attaque chimique localisée grace à un masquage effectué après le dépôt, cela afin d'éliminer le dépôt sur les électrodes d'accès aux parties actives du composant.Il y a donc nécessairement une étape supplémentaire de fabrication ce qui augmente le prix de revient du composant. L'invention remédie à-cet inconvénient. Le procédé selon l'invention comporte au moins les étapes suivantes a) érosion d'une plaquette constituée par un substrat mo- nocristallin d'arséniure de gallium sur lequel on trouve une pluralité de couches monocristallines en arséniure de gallium, lesdites couches étant destinées à former une structure semiconductrice active et étant surmontées par une couche de matériau destiné à s'opposer à une croissance épitaxiale ultérieure de l'arséniure de gallium qu'elle recouvre, ladite érosion étant pratiquée jusqu'au substrat inclusivement, de manière à produire une pluralité de composants mésa ayant en commun au moins une partie du substrat ~ b) apport d'arséniure de gallium monocristallin semi-isolant par épitaxie sur les parties érodées a l'étape (a), prolongé jusqu'au remplissage des intervalles entre lesdits composants mésa ; c) suppression de la couche de matériau surmontant les couches monocristallines desdits composants mésa. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaîtront, au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels - la figure 1 représente un exemple de plaquette (contenant une structure semiconductrice particulière) servant de point de départ au procédé selon l'invention ; - les figures 2 et 3 représentent deux stades de la plaquette au cours de l'application dudit procédé. Le substrat 1 de la plaquette représentée figure 1 est un monocristal d'arséniure de gallium fortement dopé, de type N+. Par épitaxies successives on a déposé sur ce substrat une couche 2 monocristalline d'arséniure de gallium moins fortement dopé, de type N. puis une couche 3 monocristalline d'arséniure de gallium plus fortement dopé, de type N+. La structure ainsi réalisée du type N +N N+ est susceptible de fonctionner en diode GUNN sous une polarisation convenable. Au cours d'une étape préliminaire du procédé selon l'invention, on a déposé une couche 4 d'un iélecurique tel que de la silice Si 02, du nitrure de silicium Si3 N4 ou tout autre diélectrique susceptible de résister a la température d'un traitement épitaxial et de s'opposer à la croissance cristallographique de l'arséniure de gallium qu'il recouvre. Première étape : c'est l'étape (a) du procédé défini plus haut, à savoir l'érosion de la plaquette jusqu'à l'obtention du relief représenté figure 2. Ce relief ccmporte un certain nombre de sommets "mésa" 41, 42 etc.. séparés par des intervalles 20 creuses dans les couches successives en entamant plus ou moins fortement le substrat 1. Cette érosion est effectuée par un procédé classique (gravure chimique, usinage ionique ou pulvérisation cathodique inverse) après masquage des sommets41, 42, etc. Le masque doit évidemment pouvoir résister è l'érosion pratiquée. Suivant le cas on utilise une résine synthétique ou un dépôt métallique. Deuxième étape : c'est l'étape (b) du procédé défini plus haut, a savoir l'apport d'arséniure de gallium monocristallin semiisolant dans les intervalles 20. L'arséniure de gallium est rendu semi-isolant par un dopage, à l'oxygène, au fer, au chrome ou enfin à un lange de chrome et d'oxygène. Ce dopage est effectué au cours de l'épitaxie elle-même soit en phase gazeuse, soit en phase liquide 10) Cas de la phase gazeuse On sait que dans ce cas un réacteur contenant du gallium liquide reçoit, par un ligne d'arrivée de gaz, de la vapeur d'AsCl3. Dans le cas de l'invention, on dispose d'une ligne spéciale d'arrivée de gaz, délivrant (avec un débit calculé pour obtenir un taux de dopage compris entre 10 3 et 1016 at/cm3) ; - soit l'hydrogène contenant par exemple 1/1000 d'oxygène ; - soit de l'hydrogène entraînant des vapeurs de Fe Cl3 (dopage au fer) ; - soit de l'hydroger.e entraînant des vapeurs de Cr 02 Cl2 (dopage au chrome) ; - soit-un mélange d'hydrogène, d'oxygène et de vapeurs de Cr O, Cl2 (dopage au chrome-oxygène). 20) Cas de-la phase liquide On sait que dans ce cas un creuset en graphite contient du gallium liquide dans lequel on dissout de l'arséniure de gallium. Dans le cas de l'invention, on ajoute du chrome dans le gallium liquide où il se dissout vu, les faibles quantités correspondant au- taux de dopage utilisé. Au cours de cette étape d'épitaxie il s'effectue un dépôt d'arséniure de gallium rendu semi-isolant par le dopage décrit plus haut. Ce dépôt se forme en se raccordant cristallographiquement, sur le substrat et sur les flancs des couches 2 et 3, mais ne se forme pas sur les sommets mésa protégés par le diélectrique, la croissance monocristalline ne pouvant s'y produire. L'épitaxie est prolongée ausqutà ce que les intervalles soient comblés entre les sommets mésa, l'arséniure de gallium déposé en excédent en certains points étant éventuellement éliminé par polissage ultérieur. Ce dépôt d'As Ga est représenté figure 3 (repère 30) après enlèvement de la couche de diélectrique et rodage de la plaquette. Troisième étape : c'est l'étape (c) du procédé défini plus haut, à savoir la suppression de la couche de matériau recouvrant les sommets mésa (diélectrique dans l'exemple choisi). Cette couche peut être enlevée par l'un des procédés déjà utilisés au cours de la première étape mais sans l'utilisation d'un masque, l'érosion étant limitée à l'enlévement d'une couche de faible épaisseur. Au cours d'étapes supplémentaires, on effectue la finition, notamment l'équipement enélectrodes de raccordement électrique et le montage sur un dissipateur thermique, puis on sépare les dispositifs individuels par exemple par sciage. Outre l'avantage de pouvoir être fabrIqués collectivement, les composants résultant du procédé selon l'invention présentent les avantages suivants - amélioration des caractéristiques électriques des composants hyperfréquences ainsi obtenus par suppression d'un certain nombre de défauts imputables a la couche passivante - amélioration de la fiabilité des composants ainsi obtenus, notamment par suppression des tensions internes# de nature mecanique lors des changements de température ; - possibilité de montage sans boîtier dans les circuits fonctionnant en hyperfréquence, ce qui permet de diminuer le prix de revient et d'éviter les effets nuisibles dûs aux capacités ou inductances parasites provenant du boitier ; ; - possibilité de réaliser des circuits ou l'on intègre en un seul composant la structure semiconductrice active et une cavité résonnante et éventuellement rayonnante en hyperfréquence Le procédé s'applique à des dispositifs semiconducteurs comportant des jonctions PN (ou NP) notamment aux diodes à avalanche et à tout type de composant susceptible d'amplifier ou d'engendrer des courants de très haute fréquence. REVENDICATIONS 1. Procédé de passivation de dispositif à semiconducteurs, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes a) érosion d'une plaquette constituée par un substrat monocristallin d'arséniure de gallium sur lequel on trouve une pluralité de couches monocristallines en arséniure de gallium, lesdites couches étant destinées à former une structure semiconductrice active et étant surmontées par une couche de matériau destiné à s'opposer a une croissance épitaxiale ultérieure de l'arséniure de gallium qu'elle recouvre, ladite érosion étant pratiquée jusqu'au substrat inclusivement, demanière à produire une pluralité de composants mésa ayant en commun au moins une partie du substrat b) apport d'arséniure de gallium monocristallin semi-isolant par épitaxie sur les parties érodées à l'étape Ça), prolongée jusqutau remplissage des intervalles entre lesdits composants mésa ; c) suppression de la couche de matériau surmontant les couches monocristallines desdits composants mésa. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de matériau recouvrant ladite plaquette est cons tituée par de la silice (Si 02). 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de matériau recouvrant ladite plaquette est constituée par du nitrure de silicium (Si) N4). 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, à l'étape (b), l'arséniure de gallium apporté est rendu semi-isolant par un dopage effectué en cours d'épitaxie. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ladite épitaxie ayant lieu en phase gazeuse, le dopage est effectué a l'aide d'un courant gazeux contenant une faible proportion d'oxygène. 6. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que, ladite épitaxie ayant lieu en phase gazeuse, le dopage est effectué à l'aide de chrome, au moyen d'un courant d'hydrogène entraînant de la vapeur de Cr 02 Cl2. b. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que, ladite épitaxie ayant lieu en phase gazeuse, le dopage est effectué à l'aide de chrome et d'oxygène, au moyen d'un courant d'hydrogène contenant une faible proportion d'oxygène et entraînant de la vapeur de Cr 2 Cl2. 9. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que, ladite épitaxie ayant lieu en phase liquide, le dopage est effectué è l'aide de chrome dissous dans du galli%:#::1 à l'état liquide. 10. Composant électronique, caractérisé en ce qu'il a été obtenu par un procédé suivant lune des revendications 1 à 9. 11. Diode de type GUNN, caractérisée en ce qu'elle a été obtenue par un procédé suivant l'une des revendications 1 à 9. 12. Diode a avalanche, caractérisée en ce qu'elle a été obtenue par un procédé suivant l'une des revendications 1 à 9.