Brevet FR2451634A1 — publié le 19801010

L'invention a pour objetune résistance ohmique de charge pour utilisation à des fréquences supérieures au GHz, un procédé de fabrication d'une telle résistance et l'application de cette technique à la réalisation de circuits hyperfréquence. Les composants connus utilisables comme résistances de charge dans les circuits à haute fréquence sont d'une technologie différente de celle des circuits, notamment en hyperfréquence, et il en résulte des difficultés pratiques d'insertion de ces composants dans les circuits. En outre leur coefficient de température est loin d'être négligeable. L'invention tend à remédier à ces inconvénients, La résistance de charge selon 11 invention est caractérisée en ce qu'elle est constituée par un solide semiconducteur à forte résistivité comportant sur une partie de sa surface une couche semiconductrice de plus faible résistivitév toutefois suffisante pour être compatible avec la résistance ohmique à réaliser ; elle présente deux zones de contact ohmique destinées à servir de bornes d'entrée et de sortie de la charge résistive. L'invention présente l'avantage de donner, dans le cas du silicium dopé N+, de très basse résistivité une résistance de valeur très constante dans le domaine usuel de température. En outre la charge présente une faible capacité parasite. En ce qui concerne la couche, on parvient facilement à satisfaire à la condition classique pour une couche de résistivité p en ohm-cm et de constante diélectrique absolue E (en unités C.g.S.) p# (# > ou w est la pulsation à la fréquence d'utilisation de la résistance de charge. En ce qui concerne le composant lui-même, il suffit de respecter certaines proportions pour limiter la capacité parasite à une valeur acceptable. Enfin l'invention permet la réalisation de charges résistives d'une technologie très voisine de celle des circuits ou elles doivent s'insérer. L'invention sera mieux comprise? et d1autres caractéristiques apparaîtront, au moyen de la description qui suit et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels Les figures 1 à 6 représentent,. en coupes schématiques, quelques étapes d'un premier exemple de procédé selon l'invention ; Les figures 7 à 12 représentent, en coupes schématiques quelques étapes d'un deuxième exemple de procédé selon l'invention ; Les figures 13 à 16 représentent des étapes d'une variante du premier exemple de procédé , La figure 17 représente un élément de circuit contenant une résistance selon l'invention. Dans un premier exemple de réalisation, on fabrique des structures comportant une partie "mésa" sensiblement de révolution, les flancs de la mésa portant la couche résistive d'épaisseur et de dopage prédéterminé. Les valeurs numériques données à titre d'exemple sont celles qui conviennent pour réaliser des résistances de charge de l'ordre de 50 ohms. Figure 1, on a représenté en coupe une portion de plaquette 1 de silicium monocristallin dopé n de résistivité élevée (lui000 ohm-cm) et d'épaisseur li égale par exemple à 100 microns. A partir d'une des faces, ici la face inférieure, on a fait croître par épitaxie une couche 2 de silicium monocristallin dopé n+ (résistivité de l'ordre de 10-3 ohm-cm). Son épaisseur est par exemple du même ordre que celle de la plaquette 1. Figure 2, on a représenté l'étape finale d'obtention de structures mésa par attaque chimique conduite à partir de la face non épitaxiée de la plaquette 1 préalablement recouverte de résine traitée par photolithographie de façon à obtenir des fenêtres circulaires dans la résine. Le diamètre de ces fenêtres détermine la dimension D de la partie supérieure 3 de la structure mésa. Une telle structure 21 est sensiblement de révolution autour d'un axe RF situé dans le plan de coupe de la figure 2. L'attaque chimique est poursuivie jusqu'à ce que l'on morde nettement en 22 dans la couche 2. Figure 3, on a représenté le même ensemble de structures après diffusion d'une impureté dopante n , par exemple du phosphore, diffusion effectuée en tube ouvert à partir d'une source solide à 8500 C. En cinq à trente minutes on obtient des concentrations de 2.1019 cm 3 à 4. 3n cl 3, dans une couche superficielle d'épaisseur x (de 0,3 à 0,6 micron?. La diffusion a lieu sur toute la surface de la plaquette. Cependant, la couche 30 n'a été représentée que dans la partie n des structures mésa puisqu'elle se confond pratiquement avec la couche 2 sur le reste de la périphérie de la plaquette. Figure 4, on a représenté la plaquette recouverte d'une couche 40 de résine photosensîble traitée par photolithographie de manière à laisser découverte, après développement, une partie 41 du sommet de chaque structure mésa. Figure5, on a représenté la plaquette après dépôt de contacts métalliques 51 (aux sommets) et 52 (face inférieure?, Ce dépôt est effectué par exemple à l'aide d'un appareil d'évaporation sous vide. La résine 40, attaquée par un solvant, a disparu en entraînant le métal déposé sauf dans les parties 41 et sur la face inférieure de la plaquette 2. La plaquette est ensuite découpée suivant les traits marqués AA figure 5, soit par sciage, soit par attaque chimique ou toute autre méthode classique, pour séparer les structures mésa les unes des autre. On obtient ainsi autant d'éléments destinés a devenir des ré;istances de charge. Un modèle d'élément est représenté en coupe figure 6. Dans une variante de ce premier exemple, on substitue a la diffusion n+ une croissance par épitaxie n sur toute la plaquette. Le résultat est très semblable à celui du premier exemple, mais cette variante a I1 avantage de permett#re un meilleur contrôle de l'épaisseur de la couche n Le procédé ci-dessus, et sa variante, sont applicables à des structures mésa obtenues à partir de la plaquette de la figure 1, dans le cas où, au lieu de former les structures par attaque chimique, on réalise un ouadrillage de doubles sillons séparant des structures carrées (ou rectangulaires? que l'on sépare ensuite en procédant comme dans le brevet français NO 76.04 080 déposé le 13 Février 1976, par la demanderesse, Dans l'élément représenté figure 6, la résistance ohmique utile- est constituée pratiquement par la couchent existant sur les flancs de la structure. En appelant D1 le diamètre moyen dp la structure (D1 est légèrement supérieur à - D, diamètre au sommet) on définît la résistance ohmique R par la formule exprimée en ohms, avec les notations déjà mentionnées (p résisti vité en ohm-cm, W : hauteur de la structure en cm, D1 : diamètre moyen en cm, x : épaisseur de la couche en cm). Le silicium n , de résistivité très élevée, sert uniquement de support à la couche n . On doit prendre garde, toutefois, à la capacité parasite introduite par une telle structure. Pour la diminuer, c'est-à-dire pour augmenter l'impédance mise en parallèle avec la résistance de charge à la fréquence dsutilisation, on pose la condition C w R (3) Le calcul montre que le rapport W/D doit être choisi assez grand. En pratique on ne dépasse guère des valeurs de ce rapport de l'ordre de l'unité. Pour une charge de l'ordre de 50 ohms, les ordres de grandeur des différents paramètres sont les suivants W = 0,01 cm D1 = 0,01 cm -# x = 0,3 à 0,6.10 4 cm p = 10 2 R 5.10 3 ohm-cm On a donné ci-avant les taux de dopage correspondant à de telles résistivités. Dans un deuxième exemple de réalisation de l'invention, on fabrique des structures creuses dont les parois internes comportent une couche de résistivité moins grande que le matériau constituant la structure. Figure 7, on a représenté en plan (a) et en coupe (h), coupe effectuée suivant un plan de trace XX sur la partie (a) de la figure 7, une portion de plaquette 70 de silicium monocristallin dopé n à résistivité élevée, de 11 ordre de 4 000 ohm-cm. L'épais- seur de la plaquette est de l'ordre de 200 microns ou plus. Sur chacune des grandes faces de cette plaquette, on a effectué un masquage partiel par couches de silice 71 et 72, percées de fenêtres circulaires 73 et 74. On obtient ce résultat soit par oxydation thermique du silicium préalablement protégé à l'endroit des fenêtres, soit par pulvérisation cathodique de silice sur la plaquette 70. Figure 8, on a représenté la plaquette 70 après attaque chimique effectuée à partir des deux faces jusqu'au percement de la plaquette, ce qui donne des profils de percement 75 sensiblement de révolution autour d'axes YY perpendiculaires à une grande face de la plaquette. Figure 9, on a représenté la plaquette 70 après élimination complète de la couche de silice 72 et partielle de la couche de silice 71, c'est-à-dire, pour cette dernière, effectuée de façon à seulement agrandir les fenêtres 76 On sait éliminer la silice de façon sélective en présence de silicium en utilisant par exemple une solution aqueuse de fluorure d'ammonium et d'acide fluorhydrique. Cette élimination a lieu après protection de la couche de silice, sur les portions à épargner, par photolithographie à la résine. Figure 10, on a représenté le résultat d'une diffusion dsim- puretés n analogue à celle qui a été décrite dans le premier exemple. La couche 77 (n+) ainsi obtenue recouvre l'ensemble des parties non protégées de la plaquette, notamment les parois de percement. Figure 11, on a représenté la plaquette après dépôt de métallisations 78 et 79 sur les parties libres de silice des faces planes à l'exclusion des parois de percement. Une telle métallisation est effectuée par évaporation sous vide après protection des parois de percement On élimine ensuite le reste de la couche 71. Figure 12, on a représenté en perspective cavalière le composant obtenu par découpage de la plaquette suivant des plans de coupe dont l'un est le plan de la figure 11 et un autre a pour trace ZZ sur la même figure. Un avantage de cette réalisation provint de la possibilité de diminuer aisément la capacité parasite du composant en augmentant le rapport entre l'épaisseur de la plaquette et le diamètre moyen de la perforation. Un troisième exemple de réalisation de 11 invention est constitué par une variante du premier exemple dans laquelle on fabrique des structures mésa de forme très allongée où l'on découpe des tronçons qui deviennent autant de résistances individuelles. On part d'une plaquette 80 de silicium monocristallin représentée en perspective figure 13, laquelle comprend, comme celle de la figure 1, un substrat 81 dopé n et une couche épitaxiale 82 dopée n+ - Cette couche devient, après formation des structures mésa, le nouveau substrat de la plaquette. On procède de façon analogue à la méthode décrite dans le premier exemple. Pigure 14 on a représenté des structures mésa allongées 140 obtenues après attaque chimique de la plaquette à partir de la face dopée n . La couche 82 constitue le nouveau + substrat n Figure 15, on a représenté une étape de fabrication dans laquelle les structures 140 comportent, après diffusion dtimpure- té n , une couche 141 constituant la partie utile de la résistance de charge.Après métallisation, effectuée de façon analogue à celle qui a été décrite dans le premier exemple, les différentes résistances de charge sont obtenues par découpage suivant un quadrillage de traits passant respectivement à égale distance des sommets des structures et par des lignes parallèles 142, 143, espacées d'intervalles "e" que l'on peut faire varier pour ajuster la valeur de la résistance de charge de chaque tronçon ainsi obtenu. Figure 16, on a représenté en plan (a) et en coupe (b), une résistance de charge qui diffère de elle de la figure 6 par le fait que l'on trouve dans un même composant deux couches résistivas en parallèle entre la métallisation supérieure et le substrat 82. La résistance du composant est donné par la formule où l'on a R en ohms, p en ohm-cm, W1 peu différent de W(épaisseur de la couche n ) représentant la longueur de la couche, e sa ar- geur et x son épaisseur, toutes dimensions exprimées en centimètres L'invention est applicable notamment aux circuits électroniques utilisant la technologie particulière des très hautes fréquences. Figure 17, on a représenté une portion d'un tel circuit comportant deux tronçons 91 et 92 d'une ligne du type microbande (microstrip de la terminologie anglaise). Le tronçon 91 est une portion de la ligne de transmission proprement dite comportant un conducteur de ligne 911 et un conducteur de masse (non représenté) sur la face opposée. Le tronçon 92 est une ligne quart d'onde de longueur A/4 terminée par un circuit ouvert, ce qui ramène un court-circuit au niveau de la charge 100. Une résistance de charge 100, du type correspondant au premier exemple de réalisation de l'invention, est soudée par sa métallisation inférieure au conducteur de ligne 921 du tronçon 92 Une bande conductrice-relie sa métallisation supérieure au conducteur de ligne 911 du tronçon 91. REVENDICATIONS 1. Résistance de charge, caractérisée en ce qu'elle comporte solide semiconducteur faiblement dopé comprenant sur une Lrtie de sa surface une couche semiconductrice plus fortement pée à l'aide d'une impureté du même type et deux zones de > ntact ohmique interconnectées par la couche et destinées à !ravir de bornes d'entrée et de sortie de la résistance de charge. 2. Résistance de charge suivant la revendication 1, caracté isée en ce que le solide semiconducteur présente une structure Xsa dont le coeur constitue la partie faiblement dopée. 3. Résistance de charge suivant la revendication 2, caracté isée en ce que la structure mésa est à base circulaire. 4. Résistance de charge suivant la revendication 2, caracté isée en ce que la structure mésa a une base de forme allongée. 5. Résistance de charge suivant la revendication 1, caracté isée en ce que le solide semiconducteur présente une structure yeuse dont la paroi interne est tapissée par la couche semicon trace, celle-ci débordant sur les faces externes de la struc Ire en se raccordant aux contacts ohmiques. 6. Procédé de fabrication d'une résistance suivant la revenication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes a) Epitaxie d'une plaquette semiconductrice de forte résis ivité pour constituer une couche de moindre résistivité ; b) Formation de structures mésa dans la partie à forte résistivité de la plaquette ; c) Réalisation d'une couche semiconductrice de même type de onductivité que le reste de la plaquette et de moindre résistivié sur l'ensemble des structures mésa ; d) Dépôt de métal aux sommets des structures mésa et sur la ace de la plaquette opposée auxdites structures ; e) Séparation des structures mésa. 7. Procédé de fabrication suivant la revendication 6 caracérisé en ce qu'à l'étape (c), la couche de moindre résistivité st~réalisée par diffusion d'une impureté dopante de manière à éaliser un dopage dans le même type de conductivité que le olide semiconducteur. 8. Procédé de fabrication suivant la revendication 6, caracérisé en ce qu'à l'étape (c), la couche de moindre résistivité est réalisée par épitaxie au cours de laquelle une impureté communique à la couche semiconductrice un type de conductivité identique à celui du solide semiconducteur qui lui sert de support. 9. Procédé de fabrication suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'à l'étape (b) on forme des structures arrondies. 10. Procédé de fabrication suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'à l'étape (b), on forme des structures allongées dont la section par un plan parallèle à une grande face de la plaquette est un rectangle dont le grand côté s'étend sur toute la grande face. 11. Procédé de fabrication suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'à l'étape (e), on découpe transversalement les structures en tronçons de longueur déterminée en fonction de la valeur de la résistance de charge à réaliser 12. Circuit destiné à fonctionner en très haute fréquence, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une résistance fabriquée par un procédé suivant l'une quelconque des revendications 6 à 12.