Brevet FR2468208A1 — publié le 19810430

- 1 - "DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR AVEC UNE DIODE ZENER" L'invention concerne un dispositif semiconducteur com- portant une diode Zener formée d'un corps semiconducteur constitué d'une première région semiconductrice d'un pre- mier type de conduction qui affleure une surface dudit corps, d'une deuxième région d'un second type de conduc- tion opposé au premier, située dans la première région, et d'une troisième région du premier type de conduction, si- tuée à une certaine distance de ladite surface et limitée par la deuxième et au moins latéralement par la première région, la concentration de dopage dans ladite troisième région étant plus grande que au moins celle de la partie de la première région qui entoure latéralement la troisiè- me région, la troisième région en projection étant située entièrement à l'intérieurde la deuxième région, alors que la deuxième région forme avec la première et la troisième région une jonction p-n qui, se terminant-à la surface, est pratiquement parallèle à celle-ci. Un dispositif semiconducteur comportant une diode Zener du genre décrit ci-dessus est connu du brevet améri- cain N 3 345 221. Par l'expression "diodes Zener", on entend, dans la présente demande et dans un sens général, les diodes pré- sentant une tension de claquage reproductible définie de façon précise, ces diodes étant utilisées pour l'obtention d'une tension de référence. Le fait que le claquage résul- te d'une multiplication par effet d'avalanche ou de l'ef- fet Zener qui se manifeste spécialement en présence de fai- bles tensions de claquage ( sans importance dans la pratique. Une diode Zener ayant la structure décrite ci-dessus peut 8tre utilisée comme composant élémentaire souvant dé- fini par les spécialistes sous le terme de "discret" mais elle mut être utilisée également comme composant d'un -2- circuit intégré monolithique. L'avantage important de la dite structure réside dans le fait que le claquage survient dans une partie de la jonction p-n, se trouvant entre les deuxième et troisième régions, ceci étant dû à la valeur des concentrations et des gradients de dopage qui règnent à l'endroit en question, de sorte qu'un claquage à la sur- face est évité. De ce fait, il est possible d'obtenir géné- ralement de façon reproductible une tension de claquage définie de façon précise. Pour la réalisation de telles diodes Zener, on part d'un substrat dopé de façon homogène dans lequel, par un dopage approprié réalisé par diffusion ou par implantation ou encore par la combinaison d'une diffusion et d'une im- plantation, on forme la troisième région de même type de conduction que le substrat, ainsi que la deuxième région de type de conduction opposé à celui du substrat. Au besoin, on peut inverser l'ordre d'obtention des deuxième et troi- sième régions. Un tel procédé permet de réaliser simulta- nément un grand nombre de dispositifs à partir d'une même plaquette semiconductrice. Toutefois, la Demanderesse a été amenée à constater que la précision et la reproductibilité de la tension de claquage des diodes décrites ci- dessus laissent, parfois, à désirer. A ce sujet, la Demanderesse s'est rendue compte qu'il existe une relation entre, d'une part, la précision et la reproductibilité de la tension de claquage et, d' autre part, le diamètre de la plaquette semiconductrice à partir de laquelle les diodes sont fabriquées. On a cons- taté que la précision et la reproductibilité de la tension de claquage obtenue diminuent au fur et à mesure que le diamètre de la plaquette augmente. Il s'agit là d'un résultat surprenant étant donné que, eu égard à la structure des diodes Zener connues décrites ci-dessus, l'on pourrait s'attendre à ce que la tension de 3-5 claquage ne dépende que peu ou pas du tout du choix de la -3- plaquette semiconductrice utilisée comme substrat. En effet, le claquage ne survient pas- entre la deuxième région et le substrat, mais entre cette deuxième région et la troisième région dont la concentration de dopage est plus élevée que celle du substrat. L'invention a pour but de procurer un dispositif semi- conducteur comportant une diode Zener présentant des va- leurs de tensions de claquage préciseset reproductibles quel que soit le diamètre de la plaquette semiconductrice servant de base. A cet effet, et conformément à l'invention, le disposi- tif du genre décrit dans le préambule est notamment remar- quable en ce que la première région aet consIb* ParuM zonde épitaxiale élaborée sur un substrat fortement dopé du premier type de conduction et dans lequel la concentration de dopage est plus élevée que celle de ladite couche épita- xiale, la concentration de dopage et l'épaisseur de cette - couche épitaxiale étant telles que, même en cas de claquage, - la résistance différentielle de la diode soit positive. On a pu constater que des dispositifs oeioxnducteurs pour- vus d'une diode Zener de structure conforme à l'invention et à première vue inutilement compliquée, sont réalisables également sur des plaquettes semiconductrices de diamètre égal ou supérieur à 76 mm tout en présentant une tension de claquage précise et reproductible. Que ceci soit le cas, dans une mesure beaucoup moindre, pour une structure connue dépourvue de couche épitaxiale peut s'expliquer probable- ment de la façon suivante: étant donné que, en pratique, la troisième région est élaborée dans le substrat par do- page ( implantation et/ou diffusion) depuis l'extérieur, le dopage du substrat défini dans une mesure non négligeable le gradient de dopage de la troisième région près de la jonction p-n, et, partant, la tension de claquage. Jusqu'à mm de diamètre environ, il est encore possible d'obtenir des plaquettes semiconductrices de concentration de dopage -4suffisamment homogène pour donner des substrats présentant l'uniformité souhaitée. Lorsqu'il s'agit de plaquettes semiconductrices plus grandes, par exemple des plaquettes de diamètre égal à 76 mm, cela ne s'avère plus possible, de sorte que les diodes fabriquées à partir d'une même plaquette semiconductrice présentent des tensions de claquage différentes. Au contraire, dans le cas de diodes Zener conformes à l'invention, la première région est formée par une couche épitaxiale dont le dopage est beaucoup mieux contrôlé et peut être homogénéisé de meilleure façon, ce qui permet d'éviter l'inconvénient en question. Les diodes Zener pour lesquelles on n'a pas utilisé un substrat dopé de façon homogène mais une couche épitaxiale élaborée sur un substrat fortement dopé présentent parfois une certaine irrégularité lors du claquage, cette irrégu- larité étant probablement due à l'apparition d'une résis- tance différentielle négative comparable à celle qui sur- vient, par exemple également, dans le cas d'une diode "IMPATT", appelée parfois aussi diode à effet d'avalanche, diode dans laquelle ce phénomène est mis à profit pour en- gendrer des tensions ou courants à haute fréquence. Ceci est évidemment en totale contradiction avec les exigences imposées à une diode Zener. Ledit phénomène est probable- ment lié à l'apparition d'une trop grande résistance de la couche délimitée par la deuxième région et le substrat for- tement dopé. C'est pourquoi, comme déjà précisé, l'épais- seur et la concentration de dopage de la couche épitaxiale doivent être telles que la résistance différentielle soit toujours positive, et, cela, également en cas de claquage. De préférence, bien qu'elle puisse s'étendre jusqu'au substrat, la troisième région est limitée complètement par la deuxième région et par la couche épitaxiale. Avantageusement, l'épaisseur de la couche épitaxiale est au moins égale à 10 'lm et au maximum à 35 /m, la résis- tivité de la couche étant égale à au moins 0,5 ohm.cm et au -5- maximum à 2 ohms.cm.En pratiquant de la sorte, on peut réa- liser, par exemple, dans le silicium des tensions de cla- quage comprises entre 12 et 120 Volts. Pour obtenir une résistance série aussi faible que possible, la résistivité du substrat fortement dopé est, de préférence, égale à 0,012 ohm.cm maximum. Il est à noter que des structures de diodes telles que décrites ci-dessus sont connues en soi pour des diodes à effet d'avalanche et des diodes capaci- tives. Ces dispositifs diffèrent toutefois totalement des dispositifs conformes à l'invention et doivent respecter des exigences opposées à celles imposées aux diodes Zener. C'est ainsi que, contrairement au cas d'une diode Zener, une diode à effet d'avalanche doit avoir précisément une résistance différentielle négativeet une diode capacitive en plus d'une caractéristique capacité/tension déterminée, doit avoir de préférence une tension de claquage élevée qui, en outre ne doit pas être définie de façon précise. Pour le fonctionnement de ces dispositifs, la répartition du champ dans la couche épitaxiale est particulièrement impor- tante, ce qui n'est pas le cas pour le fonctionnement d'un dispositif conforme à l'invention. La description suivante, en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre com- ment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une coupe transversale d'un dispositif semiconducteur comportant une diode Zener conforme à l'in- vention. La figure 2 est une vue en plan du dispositif de la figure 1. Les figures 3 à 5 sont des coupes transversales du dis- positif conforme à l'invention, représenté à des stades suc- cessifs de sa fabrication. La figure 6 est une coupe transversale d'un autre dis- positif conforme à l'invention. -6- Il est à noter que, sur les figures, les dimensions sont exagérées, notamment en épaisseur, et ne sont pas pro- portionnées, ceci afin de rendre les dessins plus clairs. Par ailleurs, les régions semiconductrices ayant le même type de conduction sont hachurées dans le même sens. Géné- ralement, les parties qui correspondent dans les diffé- rentes figures portent les mêmes références. La figure 1 est une coupe transversale schématique d'une diode Zener discrète conforme à l'invention. Cette diode comporte un corps semiconducteur pourvu d'une pre- mière région semiconductrice 1 d'un premier type de conduc- tion, par exemple le type de conduction N dans l'exemple envisagé, ladite première région affleurant une surface 4 du corps semiconducteur. Le corps comporte également une deuxième région 2 d'un second type de conduction opposé au premier, donc de type de conduction P dans l'exemple choisi, ladite région 2 étant située dans la première ré- gion et affleurant également la surface 4. La diode compor- te également une troisième région 3 du premier type de con- duction, c'est-à-dire de type N, cette région 3 étant située à une certaine distance de la surface 4 et étant entourée complètement par la première région 1 et par la deuxième région 2 et sa concentration de dopage étant plus élevée que celle de la première région 1. Vue de dessus, cette troisième région 3 est située entièrement à l'intérieur de la deuxième région 2 puisque la deuxième région 2 dépasse la troisième région 3 de tous c6tés. La deuxième région 2 forme avec la première région 1 et la troisième région 3, une jonction-pn 5 qui se termine à la surface 4 et qui est pratiquement parallèle à celle-ci. La partie de jonction- pn située entre la deuxième région 2 et la troisième ré- gion 3 est indiquée par 5A sur la figure; la partie de jonction-pn située entre la deuxième région 2 et la pre- mière région 1 est indiquée par 5B. Etant donné que la con- centration de dopage de la région 3 est supérieure à celle de la région 1, le fait d'appliquer en sens inverse une tension suffisamment élevée sur la jonction-pn 5 a pour conséquence le claquage de la partie 5A de la jonction-pn et non le claquage de la partie 5B de celle-cide sorte qu'un claquage à la surface est évité. Dans les diodes Zener connues de ce type, la première région 1 est formée par un substrat homogène: dans ce cas, on est confronté aux problèmes discutés précédemment dans ce mémoire. Au contraire, conformément à l'invention, la première région comporte une couche épitaxiale 1 élaborée sur un substrat fortement dopé 6 du premier type de conduction (type de conduction N) dont la concentration de dopage est plus élevée que celle de la première région 1. Dans cet exemple, la troisième région 3 est limitée entièrement par la deuxième région 2 et par la couche épitaxiale l. De plus, la concentration de dopage et l'épaisseur de-la couche épi- taxiale sont telles que, même en cas de claquage, la résis- tance différentielle de la diode est toujours positive. La surface 4 est revêtue partiellement d'une couche iso- lante 7, et par une fenêtre pratiquée dans cette couche 7, une électrode de contact 8 se raccorde à la région 2, le contact avec le substrat 6 étant obtenu, de l'autre côté, à l'aide d'une couche métallique 9. La tension de claquage de la diode Zener décrite ci- dessus dépend des concentrations de dopage pratiquées et des paramètres de diffusion et d'implantation utilisés lors de la fabrication. Les tensions de claquage de diodes réalisées simultanément en grand nombre à partir d'une même plaquette semiconductrice diffèrent très peu les unes des autres, et sont parfaitement reproductibles dans le cas o les conditions de fabrication ne sont pas modifiées. La fabrication de la diode décrite ci-dessus peut avoir lieu de la façon suivante illustrée par les figures 3 à 5 on part d'une plaquette semiconductrice 6 en silicium de -8 - type de conduction N, de diamètre égal à 76 mm et d'épais- seur égale à 380 microns, la résistivité du silicium étant, par exemple, de 0,008 ohm.cni. Sur ladite plaquette, on forme-par voie d'épitaxie une couche en silicium de type N, l'épaisseur de cette couche étant, par exemple, égale à >Pm et sa résistivité égale à 1,5 ohm.cm. Cette épaisseur et la concentration de dopage conviennent pour des diodes présentant une tension de claquage égale à environ 30 Volts ou davantage; généralement, pour l'obtention de tensions de claquage inférieures à 30 Volts, on préfère utiliser une couche épitaxiale dont l'épaisseur est légèrement inférieure, par exemple comprise entre 20 microns et 25 microns, et dont la résistivité est également un peu plus petite, par exemple égale à 0,6 ohm.cm. Pour la clarté des figures, on n'a des- siné qu'une seule diode, alors qu'une pluralité de diodes est fabriquée simultanément sur une même plaquette semicon- ductrice. r A la surface de la couche 1, on élabore ensuite, par exemple par voie d'oxydation thermique, une couche 7 en oxyde de silicium dont l'épaisseur est égale à 0,45 ?m en- vironr (figure 3). Dans ladite couche 7, on ouvre ensuite une fenêtre 10, par exemple une fenêtre carrée de 1801pm de côté, les angles de la forme carrée étant arrondis (voir la vue en plan, fi- gure 2). Dans la fenêtre, on fait croîtreune très mince couche d'oxyde il d'épaisseur égale à 0,05 jm environ. Puis, à travers la mince couche d'oxyde 11, on implante dans la ré- gion en silicium des ions de phosphore (figure 4), et, à cette occasion, la couche d'oxyde 7 est suffisamment épais- se pour servir de masque anti-implantation. La dose d'ions de phosphore d'énergie égale à 70 keV environ est égale à 13 2 6 x 10 ions par cm. Cette opération conduit à la forma- tion de la région 3 de type de conduction N dans laquelle la concentration de dopage est plus élevée que celle de la couche 1. Après un recuit effectué durant environ 30 minutes à la température de 900 0C dans une atmosphère d'azote, la région 3 est diffusée plus profondément durant environ 16 heures à la température de 1200 'C. Ensuite, (figure 5), dans la couche d'oxyde située sur la couche 1, on ouvre une fenêtre 12 dont les côtés mesurent environ 220 im; la région 3 occupe une position symétrique dans ladite fenêtre, (fi- gure 2). En utilisant comme masque la couche d'oxyde 7, on fait alors diffuser du bore à une température d'environ 1200 OC pour obtenir la région 2 de type de conduction P. La con- centration en surface est telle que, pendant la diffusion, la région 2 acquiert entièrement le type de conduction P, le dopage de la région 3 étant inversé à la surface. A la suite des opérations décrites ci-dessus, l'épaisseur de la région 2 est égale à environ 2 Pm et, de son côté, à partir de la surface, la région 3 s'étend sur une épaisseur d'envi- ron 4 îm à l'intérieur du corps. Enfin, par meulage et déca- page, l'épaisseur de la plaquette smiconductrice est ré- duite à 120 pm environ, après quoi, sont élaborées les élec- trodes de contact 8 et 9. Par sciage et rupture ou d'une autre façon, la plaquette semiconductrice est divisée en diodes distinctes et le montage est ensuite terminé de fa- çon habituelle. La tension de claquage de la diode obtenue de la sorte est égale à 30 Volts, alors que la différence entre les tensions de claquage de diodes formées sur la même plaquette semiconductrice reste très petite; de plus, la tension de claquage des diodes obtenues de la même façon est parfaite- ment reproductible. Comme déjà précisé, le niveau de la ten- sion de claquage obtenue dépend des paramètres de fabrica- tion, ceux-ci pouvant être modifiés au choix par le tech- nicien, maître en la matière. C'est ainsi que, par exemple, tout en maintenant la même épaisseur et la même concentra- tion de dopage de la couche épitaxiale et tout en conser- -10- 2468208 vant également les mêmes conditions de fabrication, il est possible d'augmenter la tension de claquage en réduisant la dose d'ions implantés pour former la troisième région 3, et inversement. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisa- tion donné dans le présent exposé. C'est ainsi qu'au lieu d'être formée par diffusion, la deuxième région 2 est réa- lisable également par implantation d'ions. Inversement la région 3 peut résulter d'une diffusion. Par ailleurs, la diode Zener peut faire partie d'un circuit intégré. Au lieu de silicium, il est possible d'utiliser du germanium ou un autre matériau semiconducteur, par exemple un composé AIIIBV. A remarquer, enfin, qu'au besoin, la troisième ré- gion 3 peut s'étendre jusqu'au substrat, comme le montre la figure 6, ce qui conduit à une très faible résistance série. - REVENDICATIONS - 1. - Dispositif semiconducteur comportant une diode Zener formée d'un corps semiconducteur constitué d'une première région semiconductrice d'un premier type de con- duction qui affleure une surface dudit corps, d'une deu- xième région d'un second type de conduction opposé au pre- mier, située dans la première région, et d'une troisième région du premier type de conduction, située à une certai- ne distance de ladite surface et limitée par la deuxième et, au moins latéralement, pour la première région, la concentration de dopage dans ladite troisième région étant plus grande que au moins celle de la partie de la premiè- re région qui entoute latéralement la troisième région, la troisième région en projection étant située entièrement à l'intérieur de la deuxième région, alors que la deuxième région forme avec la première et la troisième région une jonction-pn qui, se terminant à la surface, est pratique- ment parallèle à celle-ci, caractérisé en ce que la pre- mière région consiste en une couche épitaxiale élaborée sur un substrat fortement dopé du premier type de conduc- tion et dans lequel la concentration de dopage est plus élevée que celle de ladite couche épitaxiale, la concen- tration de dopage et l'épaisseur de cette couche épita- xiale étant telles que, mime en cas de claquage, la ré- sistance différentielle- de la diode soit positive. 2. - Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la troisième région est limitée complètement par la deuxième région et par la couche épitaxiale. 3. - Dispositif semiconducteur selon l'une des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche épitaxiale est égale au minimum, à 10 PM et, au maximum, à 35 /un, la résistivité-de la couche étant éga- le, au minimum, à 0,5 ohm.cm et, au maximum, à 2 ohms.cm. 4. - Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la résis- tivité du substrat est, au maximum, égale à 0,012 ohm.cm.