Brevet FR2458144A1 — publié le 19801226

La présente invention concerne de façon générale la fabrication de composants semiconducteurs et plus particulièrement une structure de passivation à plusieurs couches pour des composants semiconducteurs destinés à fonctionner sous haute tension et à courant élevé dans lesquels la température de jonction peut être élevée, soit, par exemple, des transistors de puissance, thyristors, triacs ou autres. Dans tout dispositif semiconducteur comprenant une jonction bloquante qui devient conductrice par suite d'un effet d'avalanche, l'avalanche a généralement tendance à se produire en surface, c'est-à-dire au niveau des affleurements de la jonction plutôt qu'en volume. Il en résulte des inconvénients bien connus quant à la capacité de tenue en tension et en température de la jonction et à l'homogénéité du début de l'avalanche. I1 convient de souligner que cet inconvénient se présente aussi bien pour les dispositifs à structure de type planar, c'est-à-dire dans lesquels la jonction affleure au niveau d'une surface principale du composant semiconducteur, que pour les dispositifs de type mésa, c'est-à-dire pour lesquels la jonction affleure au niveau des faces latérales du composant. Pour pallier ces inconvénients, on procède couramment à une passivation des affleurements de jonction, c'està-dire au dépôt d'un matériau approprié permettant d'éviter le claquage en surface de la jonction. Parmi les agents de passivation qu'il est possible d'utiliser pour permettre une température de jonction élevée, des études et essais ont été effectués sur le silicium polycristallin dopé à l'oxygène (couramment appelé sipox). Néanmoins, un inconvénient de ce diélectrique est qu'il ne se prête pas facilement à des dépôts selon des épaisseurs de l'ordre de 5 microns qui seraient nécessaires pour obtenir une passivation satisfaisante. En conséquence, on trouve dans la littérature diverses structures de passivation à couches multiples dont la première couche est une couche de sipox à faible épaisseur (de l'ordre de 0,5 micron) les autres couches étant par exemple des couches de verre, de silice ou denitrure de silicium. Les essais effectués par la demanderesse sur ces diverses structures connues ont révélé divers inconvénients.Notamment aucune des structures essayées par la demanderesse ne présentait le triple avantage simultané de permettre une tenue en tension élevée, une tenue en température élevée, et d'impliquer un procédé de fabrication relativement simple. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir une nouvelle structure de passivation à plusieurs couches dans laquelle la couche de base est du sipox. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé de fabrication particulièrement simple et rapide d'une telle structure. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit une structure de passivation d'un affleurement de jonction dans un composant semiconducteur comprenant une première couche de silicium polycristallin, une deuxième couche de nitrure de silicium, une troisième couche d'oxyde de silicium et une quatrième couche constituée d'un verre. Le procédé de formation de cette structure selon la présente invention consiste à placer un composant ou un ensemble de composants semiconducteurs sur une plaquette ou plusieurs plaquettes dans un réacteur à une température constante comprise entre 8000C et 9200C. Pendant sensiblement toute la durée du processus de fabrication, on introduit dans le réacteur un gaz ou un mélange de gaz fournissant à la température considérée du dichlorure de silicium (SiC12) ; dans une première période on introduit de l'oxyde nitreux (N20) ; dans une deuxième période on introduit selon un débit croissant de l'ammoniac (NH3) ; et, pendant une troisième période, on réintroduit de l'oxyde nitreux. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisations particuliers, faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles - la figure 1 représente une structure de passivation selon la présente invention dans le cas d'un composant semiconducteur de type planar - la figure 2 représente une structure de passivation selon la présente invention dans le cas d'un composant semiconducteur de type mésa ; et - la figure 3 est un graphique illustrant les phases d'introduction de gaz dans un réacteur pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention. La figure 1 représente le cas où une structure de passivation à plusieurs couches est déposée à la limite d'une jonction P N affleurant sur la surface principale d'un composant semiconducteur. Il s'agit là d'une structure de type planar. La figure 2 représente le cas où une jonction P+N débouche sur la face latérale d'un composant ou plus exactement dans un sillon ménagé dans une plaquette entre deux composants adjacents sur cette plaquette. Il s'agit là d'une structure de type mésa. On ne décrira pas ci-après spécifiqiiement la structure de passivation selon l'invention dans le cas des figures 1 et 2, mais il convient de souligner initialement que la-pré- sente invention s'applique aussi bien aux structures planar qu'aux structures de type mésa.Bien entendu, dans le cas des structures de type mésa, le sillon peut avoir diverses formes et il est également possible de prévoir des doubles sillonnages Dans les figures 1 et 2, on désigne par la référence générale 1, le corps semiconducteur et par la référence générale 2 la structure de passivation à plusieurs couches selon l'invention. Cette structure de passivation 2 comprend une première couche de silicium polycristallin dopé à l'oxygène 3, une deuxième couche 4 de nitrure de silicium, une troisième couche 5 d'oxyde de silicium et une quatrième couche 6 de protection d'étanchéité constituée d'un verre. La couche de sipox o a une épaisseur comprise entre sensiblement 500 A et sensible o ment 3000 A .Elle a une teneur en oxygène très élevée par rapport aux couches de sipox courantes, à savoir de l'ordre de 20 à 30 i de moles d'oxygène par cm3. La couche 4 de nitrure o o de silicium a une épaisseur de l'ordre de 100 A à 400 A . La couche d'oxyde de silicium 5 a une épaisseur comprise entre o o 100 A et 200 A Pour assurer à cette structure de passivation une bonne étanchéité vis-à-vis de l'humidité et de divers produits contaminants, on déposera au dessus des couches 3, 4 et 5 une quatrième couche 6 constituée d'un verre, ce verre ayant de préférence un coefficient de dilatation adapté par rapport à la structure sur laquelle il est déposé et au silicium du composant semiconducteur. On pourra noramment choisir un verre à forte teneur au plomb. Cette structure à quatre couches a des qualités de passivation physico-chimiques satisfaisantes permettant d'obtenir une température de jonction élevée (supérieure à 2000C) et une tenue en tension élevée (2000 volts). On va maintenant décrire un mode de réalisation particulier d'un procédé de fabrication permettant d'obtenir une structure telle que représentée en figures 1 et 2. Tout d'abord, la plaquette initialement masquée ou non comprenant les divers composants semiconducteurs à passiver selon l'invention est introduite en-meme temps que d'autres dans un réacteur. La température de celui-ci est portée à une valeur comprise entre 8000C et 9200C, par exemple 83O0C, tous les divers traitements dans ce réacteur s'effectuant à cette température relativement élevée par rapport aux températures usuelles.Cette température relativement élevée est voisine de la température de frittage du verre qui sera déposé ultérieurement.En effet, il s'avère souhaitable d'utiliser un verre à température de frittage élevée car, dans ce cas les coefficients de dilatation du verre et du silicium se rapprochent ; et, si le dépôt de sipox a été effectué à température relativement faible, par exemple de l'ordre de 7000C comme celà est usuel dans la technique, les qualités de passivation électrique du sipox se dégradent lors de l'étape ultérieure de frittage du verre à une température de l'ordre de 8500C. Une fois la température désirée atteintectcomme le montre la courbe en trait plein 10 de la figure 3, on introduit en continu un gaz fournissant par suite de sa décomposition ou de la recombinaison de ses divers composants du dichlorure de silicium SiC12. On notera qu'à la température choisie, il n'est pas possible d'utiliser du silane seul. On choisit donc comme gaz du dichlorosalane (SiH2C12), directement du SiC12 disponible en bouteille, ou bien un mélange de silane et de chlore (SiH4+Cl2). Pour obtenir une formation de silicium polycristallin, on introduit dans le réacteur, en même temps que le SiH2C12, de l'oxyde nitreux N2O comme le montre la courbe en pointillés 11 de la figure 3. Ainsi, pendant une première période, entre les instants t0 et tl, du fait de l'introduction simultanée de SiH2Cl2 et de N20, on forme à la surface du composant semiconducteur du silicium polycristallin. Le rapport entre les débits de SiH2CI2 et de N2O est choisi pour que la teneur en oxygène du silicium polycristallin dopé à l'oxygène 3 soit voisine de 30 %.L'épaisseur de cette couche de sipox est de préférence choisie entre environ 500 A et environ o 3000 A . En effet, en dehors de cette gamme, le courant de fuite au voisinage de l'affleurement de jonction dans le silicium polycristallin augmente. Ensuite, pendant une deuxième période, entre les instants tl et t2 on interrompt le débit de N2O comme l'indique la courbe 11 et on introduit de l'ammoniac, comme le montre la courbe en trait mixte 12 de la figure 3, pour former une couche de nitrure de silicium Enfin, pendant une troisième période, le débit de SiH2C12 étant maintenu, l'introduction de NH3 est interrompue et l'on procède à nouveau à l'introduction de N20, mais cette fois selon un débit relativement important,d'où il résulte qu'il se forme une couche d'oxyde de silicium entre les instants t2 et t3. De préférence, dans la dernière phase de cette étape, le débit de SiH2Cl2 est complètement interrompu comme on peut le voir entre les instants t3 et t4 de la figure 3. Après les trois périodes sus-énoncées, les plaquettes munies de leur revêtement sont sorties du réacteur et l'on procède au dépôt d'une couche de verre 6 par tout procédé connu, par exemple par dépôt d'un verre sous forme de grains en suspension dans un solvant, évaporation du solvant, et frittage du verre. Cette couche de verre peut avoir une épaisseur comprise entre 15 P et 50 ju. A titre d'exemple quantitatif, on notera que la figure 3 qui indique les débits gazeux dans les réacteurs en cm3 par minute en fonction du temps en minutes est tracée sensiblement à l'échelle. Le débit de SiH2Cl2 est maintenu entre les instants t0 et t3 pendant environ 30 mn avec un débit d'environ 20 cmdmn. Entre les instants t0 et tl, pendant une durée d'environ 20 mn, le débit N2O est de 2 cm3 /mn. Entre les instants t1 et t21 pendant environ 5min, le débit de NH3 est à un niveau de 50cm3/mn. Entre les instants t2 et t4, pendant une dizaine de minutes, le débit de N2O est de 40 cm3/mn. On n'a indiqué en figure 3 aucun recouvrement entre les débits N20 et de NH3.On pourra dans la pratique prévoir une période où les introductions de N2O et de NE3 sont simultanées aux alentours des instants tl et t2. Une structure de passivation selon la présente invention obtenue par le procédé décrit en figure 3 (avec superposition ultérieure d'une couche de verre) s'est avérée particulièrement efficace en ce qui concerne la faible valeur des courants de fuite au voisinage de la jonction, ces courants ne dépassant pas 100 microampères sous 700 volts. On va indiquer ci-après les raisons pour lesquelles la demanderesse pense que la structure de passivation selon la présente invention présente cette grande efficacité. Néanmoins, cette explication n'est donnée qu'à titre indicatif et, meme si elle s'avère inexacte ultérieurement, ceci ne saurait affecter la validité de la présente invention telle qu'elle est définie structurellement dans les revendications ci-après. La demanderesse considère que la couche de sipox 3 confère des propriétés de bonne passivation électrique de la jonction, c'est-àdire un faible courant de fuite en inverse et une forte tension de blocage. Néanmoins, cette couche n'est intrinsèquement pas étanche aux contaminants et à l'humidité et, en outre, on ne sait pas en pratique déposer des couches de sipox d'épaisseurs importantes.Ainsi, la couche de nitrure assure la protection de la mince couche de sipox en fournissant une étanchéité visà-vis des contaminants de type alcalin et de la vapeur d'eau. Toutefois, l'épaisseur de cette couche de nitrure ne peut dépasser en pratique 2000 A en raison de son mauvais coefficient de dilatation. Cette faible épaisseur ne permet pas de faire écran aux champs électriques internes et il demeure donc des champs résiduels en surface. Il en résulte la nécessité de compléter la structure par une couche de verre (de préférence un verre au plomb dans l'état actuel de la technique). Mais, lors du frittage du verre, le mouillage de celui-ci sur une couche de nitrure est mauvais et l'on ne peut obtenir une couche de verre uniforme. C'est pourquoi on prévoit selon la présente invention une couche de silice pyrolithique comme celà a été décrit pour permettre l'adhérence du dépôt de verre. Il apparaît également que l'ensemble des avantages de la présente invention résulte notamment du fait que les diverses opérations de dépôts des couches de sipox, de nitrure et de silice sont effectuées à température élevée, voisine de la température de frittage de la couche de verre déposée dans la dernière étape. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été spécifiquement décrits mais en inclut les diverses variantes accessibles à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. - Structure de passivation d'un affleurement de jonction dans un composant semiconducteur comprenant une première couche de silicium polycristallin dopé à l'oxygène (sipox) caractérisée en ce qu'elle comprend successivement au-dessus de cette première couche - une deuxième couche de nitrure de silicium - une troisième couche d'oxyde de silicium ; et - une quatrième couche constituée d'un dépôt de verre. 2. - Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première couche de silicium polycristallin a une concentration en oxygène de l'ordre de 20 à 30 % moles par cm3. 3. - Structure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que - la première couche de sipox a une épaisseur com o prise entre 500 et 3000 A - la deuxième couche de nitrure de silicium a une o épaisseur de l'ordre de 100 à 400 A - la troisième couche de silice a une épaisseur de o l'ordre de 100 à 200 A 4. - Procédé de fabrication d'une structure de passivation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à placer un élément semiconducteur dont on veut passiver une surface dans un réacteur à une température sensiblement constante comprise entre 800 et 9200C et à procéder aux étapes suivantes à l'intérieur de ce réacteur sans modification de température - introduire un gaz ou un mélange de gaz fournissant à la température considérée du dichlorure de silicium (SiC12) pendant les trois périodes ci-après - pendant une première période introduire de l'oxyde nitreux selon un débit plus faible que le débit dudit gaz; - pendant une deuxième période introduire de l'ammoniac (NH3) ; et - pendant une troisième période introduire à nouveau de l'oxyde nitreux selon un. débit important par rapport au débit dudit gaz ; 5. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une dernière étape pendant laquelle le débit du gaz ou du mélange de gaz fournissant SiC12 est interrompu et le débit de N2O est maintenu. 6. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la température du four est choisie voisine de la température de frittage d'un verre déposé ultérieurement. 7. - Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que le dit gaz ou mélange de gaz fournissant SiC12 est du dichlorosilane (SiH2C12). 8. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que le dit gaz ou mélange de gaz fournissant SiC12 est un mélange de silane et de chlore (SiH4 + Cl2)