Brevet FR2480035A1 — publié le 19811009

La présente invention concerne des diodes Schottky de puissance et leur procédé de fabrication. Par diodes de puissance on entend ici des diodes pouvant laisser passer des courants directs supérieurs a 50 A, par exemple de l'ordre de la centaine d'amperes. Dans la pratique industrielle courante, on a essentiellement utilisé comme diodes Schottky des structures présentant des interfaces redresseuses silicium/ chrome. En effet, quand on examine les diverses courbes caractéristiques tension/courant en direct et en inverse pour des contacts Schottky, il s'averse que les contacts au chrome sur silicium fournissent des paramètres électriques particulièrement satisfaisants. Néanmoins, pour des applications dans le domaine de la puissance, les diodes Schottky au chrome présentent une mauvaise stabilité et se détériorent rapidement à la suite de surcharges ou de cyclages thermiques. il se forme alors à l'interface chrome/silicium un siliciure de chrome et les caractéristiques de la diode Schottky se dégradent. Un objet de la présente invention est de prévoir une nouvelle structure de diodes Schottky présentant une meilleure stabilité par suite de surcharges ou de chocs thermiques. Un autee objet de la présente invention est de prévoir un procédé simple et économique de fabrication de telles diodes. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'une diode Schottky au titane sur un substrat de silicium de type N comprenant les étapes consistant à former sur le substrat une couche de silice recouverte de résine ouverte aux emplacements où l'on souhaite effectuer le contact Schottky ; déposer par évaporation sous vide une couche de titane ; dissoudre la couche de résine pour enlever simultanément la couche de titane qui la recouvre ; déposer une couche d'argent sur la couche de titane ; et procéder à un traitement thermique en atmosphère non oxydante à une température comprise entre 580 et 6500C. Au cours de ce traitement thermique, il se forme un siliciure de titane à l'interface entre les couches de silicium et de titane. Le contact Schottky ayant subi ce type de traitement pourra ensuite supporter toute surtension produisant des échauffements localisés peu supérieurs à la température du traitement thermique. De préférence, avant l'étape thermique on procède à la métallisation de la face arrière par vaporisations successives de molybdène, de nickel dopé au phosphore, et d'argent. Le molybdène sert essentiellement de couche d'accrochage, et le nickel de couche barrière par rapport à l'argent. Au cours de l'étape thermique, le phosphore dopant le nickel diffuse dans le silicium à travers la couche de molyb dène et améliore encore la qualité du contact ohmique entre la métallisation et la face inférieure du substrat. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure I représente une caractéristique IFtYB indiquant la chute de tension en direct dans une diode Schottky en fonction du courant qui la traverse la figure 2 représente une caractéristique IR/VR indiquant la fuite de courant en inverse dans une diode Schottky en fonction de la tension inverse appliquée et, la figure 3 représente une diode Schottky selon la présente invention lors de l'une de ses étapes de fabrication. La figure 1 représente une caractéristique de courant direct IF en ampères en fonction de la chute de tension en direct VF dans une diode Schottky. Cette caractéristique a sensiblement la même allure quelle que soit la nature de la jonction Schottky, cgest-a-dire le type de métal utilisé. Par contre, en fonction du métal utilise, les échelles se modifient. Ainsi, pour un courant direct de 50 ampères traversant la diode, la chute de tension en direct sera de l'ordre de 0,35 volt pour une diode Schottky au silicium/chrome et de l'ordre de 0,40 volt pour une diode Schottky au silicium/titane. La figure 2 représente la valeur du courant de fuite en inverse In en fonction de la tension inverse appliquée Vp pour une diode au titane et une diode au chrome, respectivement11 le substrat étant un substrat de silicium dans les deux cas. Les diodes au titane présentent une valeur de fuite plus faible que celles des diodes au chrome jusqu'à un certain seuil au-delà duquel seules les diodes au chrome sont utilisables. A titre d'exemple numeriquee pour une tension inverse de l'ordre de 40 volts1 le courant de fuite sera de l'ordre de 10 mA pour une diode au titane et de 40 à 50 mA pour une diode au chrome. Quand il s'agit de construire une diode Schottky de puissance1 pouvant laisser passer un courant intense dans le sens direct, par exemple supérieur à 50 A, un des paramètres auquel on porte le plus d'attention est la chute de tension en direct de cette diode.En effet, la puissance dissipée est le produit du courant par la chute de tension. C'est cette puissance dissipée qui déterminera les limites de fonctionnement de la diode et guidera le choix de son dimensionnement. Ainsi, dans l'art antérieur, on a généralement utilisé comme diodes Schottky de puissance des diodes au silicium/chrome qui présentent une chute de tension en direct faible, une autre raison de ce choix résidant dans l'existence d'un arsenal technologique permettant le dépôt et la gravure de couches de chrome. Toutefois, on a constaté dans la pratique que les diodes Schottky de puissance au chrome présentaient une mauvaise fiabilité, notamment en ce qui concerne leur tenue en surcharge et leur résistance au cyclage thermique. En effet, après plusieurs applications de surtensions ou plusieurs montés en température, il apparaît que les caractéristiques des diodes Schottky au chrome évoluent et se dégradent relativement rapidement. L'une des raisons à laquelle la demanderesse croit pouvoir attribuer cette mauvaise fiabilité réside dans le fait que, par suite d'applications de surtensions ou de températures élevées, la couche de silicium à l'interface entre le silicium et le chrome se modifie pour former un siliciure de chrome, un tel ~siliciure affectant de façon néfaste les caractéristiques du contact Schottky L'un des aspects de la présente invention se base sur la prise de conscience du fait que la chute de tension en direct présentée par une diode Schottky pour un courant d'intensité donne ne constitue pas en elle-meme le facteur essentiel permettant de déterminer la tenue en puissance d'une diode Schottky, mais qu'il faut tenir compte des capacités de tenue en température de cette diode. Ainsi, il est préconisé selon la présente invention dlutiliser pour des applications de haute puissance des diodes Schottky au titane qui, bien qu'elles présentent une chute de tension en direct plus importante, présentent l'avantage de pouvoir supporter les températures bien supérieures à celles supportables par des diodes au chrome. Ainsi, selon la présente invention, il est proposé une diode Schottky au titane sur silicium dans laquelle on forme volontairement une couche de siliciure de titane à l'interface titane/silicium. Dans le cas particulier du titane, l'existence de la couche de siliciure de titane ne nuit pas à l'effet Schottky et, lors de son fonctionnement ultérieur, la diode peut supporter des échauffements l'amenant à des tempéra tures égales à celle à laquelle a été formé le siliciure, c 'est-à-dire par exemple des températures de l'ordre de 550 à 6500C. Par comparaison, on notera qu'une diode au chrome se dégrade dès que l'on atteint des températures supérieures à 350oc7 Pour obtenir une diode Schottky selon la présente invention, on pourra, comme cela est illustré en figure 3, partir, de façon classique, d'un substrat 1 de type N+ sur lequel est formée une couche épitaxiée 2 dont certaines zones sont délimitées par des anneaux de garde 3 de type P+ à l'intérieur desquels on veut former les diodes Schottky Bien entendu, conformément à la pratique usuelle dans le domaine des semiconducteurs, un grand nombre de diodes identiques seront formées sur une plaquette de silicium de grande dimension qui est ensuite découpée en puces individuelles. Une couche de passivation 4, couramment de la silice ou du nitrure de silicium est formée sur la surface de la plaquette Cette couche est ouverte en utilisant un masque de résine photosensible 5 On dépose ensuite sur l'ensemble de la plaquette, sans avoir enlevé le masque de résine 5, une couche de titane 6 d'une épaisseur de l'ordre de 3000 A, puis une couche d'argent. Ces dépôts de titane et d'argent sont effectués par exemple par évaporation sous vide On forme ensuite, sur la face arrière (non représentée) de la plaquette, une métallisation constituée par exemple de couches successives de molybdène d'une épaisseur de 2000 à o 5000 A, de nickel d'une épaisseur de 3000 à 7000 A et d'argent d'une épaisseur de 8000 à 12000 A. La couche de nickel est de préférence fortement dopée au phosphore. Aprds cela, on procède à l'attaque par un produit approprié de la couche de résine 5 qui s'enlève en même temps que la portion de la couche de titane 6 qui la surmonte. Ce procédé est connu dans la technique sous l'appellation anglo-saxonne procédé de "lift off". On notera néanmoins que l'application de ce procédé à la fabrication de diodes Schottky était loin d'être évidente car on aurait pu penser initialement que le fait de maintenir la couche de résine lors du dépôt de la couche de titane pouvait entraîner une pollution de l'interface silicium/titane, pollution qui aurait été fort nuisible au fonctionnement de la diode Schottky. On procède ensuite au dépôt d'argent, d'une épaisseur de l'ordre d'une cinquantaine de microns, par exemple par voie non électrolytique, sur les métallisations des deux faces de la plaquette. Enfin, selon un aspect important de l'invention, on procède à un traitement thermique à une température comprise entre 580 et 6500C'pour former un siliciure de titane i l'interface entre la couche de titane 6 et le substrat 2 de silicium de type N. Simultanément, lors de cette étape thermique, le phosphore qui a été déposé à titre de dopant en même temps que la couche de nickel sur la face inférieure de la plaquette diffuse dans celle-ci à travers la couche de molybdène et améliore la qualité du contact ohmique de la métallisation inférieure. L'un des avantages supplémentaires de l'emploi d'une couche de titane réside dans le fait que, lors de l'étape thermique, cette couche de titane constitue une barrière efficace à l'encontre de la diffusion de la couche de métallisation d'argent ainsi que de couches d'or éventuelles destinées à assurer la reprise des contacts. Le traitement thermique peut être effectué par mise dans un four des plaquettes à traiter, montée lente en température, maintien pendant une trentaine de minutes à une température de l'ordre de 590 à 6100C puis descente lente en température. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui ont été explicitement décrits mais elle en englobe les diverses variantes et généralisations incluses dans le domaine des revendications ci-après REVENDICATIONS I. Diode Schottky de puissance pouvant supporter des courants directs supérieurs à 50 A, caractérisée en ce que le contact Schottky est réalisé au moyen d'une couche de titane alliée à un substrat de silicium de type N. 2. Diode selon la revendication 1, caractérisée en ce que sa partie active est délimitée par un anneau + de garde de type p 3. Diode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat de type N est constitué d'une couche de type N formée par épitaxie sur un substrat de type N 4. procédé de formation d'une diode Schottky au titane sur un substrat de silicium de type N, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - former sur le substrat une couche de résine ouverte aux emplacements où l'on souhaite effectuer le contact Schottky, - déposer par évaporation sous vide une couche de titane, - dissoudre la couche de résine pour enlever simultanément la couche de titane qui la recouvre, - déposer une couche d'argent sur la couche de titane, et - procéder à un traitement thermique en atmosphère non oxydante à une température comprise entre 580 et 6500C. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, avant l'étape de traitement thermique, on procède à la métallisation de la face arrière par évaporations successives de molybdène, de nickel dopé au phosphore, et d'argent.