Brevet FR2488734A1 — publié le 19820219

- -1- 2488734 "DIODE ZENER ET PROCEDE POUR LA FABRIQUER" La présente invention concerne une diode Zener compor- tant un corps semiconducteur qui présente un premier domaine semiconducteur d'un premier type de conduction adjacent à une surface du corps, une couche isolante protectrice sur la surface dudit premier domaine avec une fenêtre qui expose une partie de ladite surface, une couche épitaxiale d'un deuxième type de conduction opposé au premier qui se trouve sur ladite surface dans ladite fenêtre, et un conducteur métallique qui est placé sur ladite couche épitaxiale. L'in- vention se rapporteen outre à un procédé servant à fabri- quer une telle diode Zener. L'invention a trait en particulier à une diode Zener améliorée présentant un rendement élevé et une tension de claquage de Zener peu élevée, par exemple de l'ordre de quelques volts pour un courant de mesure de 5 mA. Les diodes Zener sont utilisées en général comme diodes régulatrices de tension, éléments de référence de tension et dispositifs à tension de seuil et ont une tension de claquage de Zener déterminée avec précision et reproductible. Une diode Zener à tension de claquage de Zener peu élevée et à couche épitaxiale déposée dans une fenêtre d'une couche isolante protectrice est décrite dans le brevet français no 1.522.532. Les avantages de la diode sont les suivants La couche épitaxiale peut facilement former une jonction pn- peu profonde idéale pour l'effet Zener, présentant un gra- dient de concentration d'impuretés très abrupt pratiquement en échelons au passage de la jonction. Moyennant une épais- seur déterminée de la couche épitaxiale, on peut en outre empêcher une variation ou une dégradation des propriétés -2- électriques de la jonction pn, par exemple une mise en court-circuit par dépôt d'un conducteur métallique. En effet, lorsque le conducteur métallique, qui est par exemple de l'argent, est déposé directement sur une surface d'un sub- strat semiconducteur au-dessus de ladite jonction pn peu profonde sans la couche épitaxiale, l'argent s'infiltre dans le substrat semiconducteur et détruit la jonction pn pendant le processus de scellement de la diode à une enveloppe de verre, qui a lieu à température assez élevée. Le processus de la croissance épitaxiale sélective rend possible d'une manière simple la fabrication d'un grand nombre de diodes simultanément sur le même substrat semiconducteur. Néanmoins, lors de la fabrication de ces diodes Zener connues, le rendement moyen des diodes qui présentent une fiabilité suffisante et une tension de claquage de Zener déterminée-de manière très précise, n'est pas toujours suf- fisant et économique pour une fabrication industrielle. L'invention a pour but de procurer des diodes Zener qui présentent une meilleure fiabilité pour un rendement élevé. La diode Zener du type mentionné plus haut et conforme à l'invention est caractérisée à cet effet en ce que le premier domaine semiconducteur comporte un domaine princi- pal présentant, au moins à l'intérieur de la fenêtre, une densité de concentration d'impuretés qui soit suffisante pour former une jonction pn en vue de l'effet Zener, un sous-domaine du second type de conduction le long du bord de la fenêtre qui entoure au moins une partie du domaine principal, la profondeur dudit sous-domaine étant supérieure à celle de ladite jonction pn à partir de la surface du pre- mier domaine. En outre, le procédé de fabrication d'une diode Zener telle que décrite plus haut comprend, conformé- ment à l'invention, les opérations suivantes: l'application d'une première couche isolante protectrice à titre de pre- mier masque de dopage, présentant une prerière fenêtre pour -3- former un domaine principal à haute concentration en impu- retés; l'introduction d'une impureté du premier type de conduction dans une zone du premier domaine par la première fenêtre; l'application d'un deuxième masque pour la crois- sance épitaxiale sélective, le deuxième masque ayant une deuxième fenêtre qui est plus grande que la première, pour exposer une partie de la surface du premier domaine y com- pris la zone; le dépôt de la couche épitaxiale sur la sur- face exposée par la deuxième fenêtre et la formation simul- tanée d'une jonction pn pour effet Zener dans le domaine principal et dans un sous-domaine du second type de conduc- tion le long du bord de la deuxième fenêtre qui entoure le domaine principal. L'invention est basée sur le principe que la couche épi- taxiale n'a pas toujours eu une croissance contrôlable le long du bord de la fenêtre de la couche isolante protectrice et n'est pas toutjours nettement délimitée en de fins motifs comme la forme de la fenêtre. En d'autres-termes, la couche épitaxiale peut croître à une petite distance du bord de la fenêtre. Ceci pourrait être provoqué par l'apparition de défauts locaux déterminés. ou de croiâtes et par une différence d'humidité ou d'adhé- rence entre le corps semiconducteur et la couche isolante protectrice ou par la croissance préférentielle du silicium résultant de l'orientation des cristaux. En fait, certaines parties d'une électrode métallique, comme une couche d'ar- gent déposée, sont directement en contact avec le premier domaine semiconducteur, même si la couche épitaxiale dépasse légèrement la couche isolante protectrice. Le contact direct entre l'électrode métallique et le premier domaine semiconducteur pourrait influencer défavo- rablement la fonction de la jonction pn et, par exemple, provoquer un courant de fuite ou un court-circuit. Afin d'éviter une influence défavorable sur la jonction pn, sui- vant l'invention, le sous-domaine est placé le long du bord -4- de la fenêtre et il s'étend plus profondément que le niveau de la jonction pn de Zener; il fait que le bord de la jonc- tion pn est écarté suffisamment du bord de la fenêtre en- dessous de la couche isolante protectrice. L'invention sera expliquée ci-après plus en détail avec référence aux dessins annexés dans lesquels: -la figure 1 est une vue en coupe transversale schéma- tique d'une diode Zener conforme à l'invention; -la figure 2 est une vue en plan de dessus, schématique, de la diode représente à la figure 1; les figures 3 à 5 sont des vues en coupe transversale schématiques de la diode de la figure 1, à des stades suc- cessifs de sa fabrication; -la figure 6 est une vue en coupe transversale schéma- tique d'une autre forme d'exécution de la diode conforme à l'invention; les figures 7 et 8 sont des vues en coupe transversale schématiques de la diode de la figure 6, à des stades succes- sifs de sa fabrication. Pour plus de clarté, les figures sont représentées sché- matiquement et non à l'échelle, les dimensions étant forte- ment exagérées, en particulier en ce qui concerne l'épais- seur. Des domaines semiconducteurs du même type de conduction sont hachurés dans le même sens; des parties correspondantes sont indiquées en général par les mêmes chiffres de référence dans toutes les figures. La figure I est une vue en coupe transversale schéma- tique d'une diode Zener conforme à l'invention. La diode comporte un corps semiconducteur 1 présentant un premier- domaine semiconducteur 2 d'un premier type de conduction, dans ce cas du type de conduction n. Le premier domaine 2 est adjacent à une surface 3 du corps semiconducteur 1 qui est pourvue des couches isolantes protectrices 4,5 présentant une fenêtre 6A qui expose une -5- partie de ladite surface. Une couche épitaxiale 7 d'un deuxième type de conduction opposé au premier, dans cet exemple le type de conduction À, se trouve sur ladite sur- face 3 dans la fenêtre 6A. Au-dessus de ladite couche épi- taxiale 7 est prévue une électrode de contact 8. Suivant l'invention, ledit premier domaine 2 comporte en outre un domaine principal 11 présentant au moins dans ladite fenêtre 6A une concentration en impuretés qui, dans cet exemple, est comprise entre 5 x 1018 et 5 x 1019 atomes/ -3 cm. Cette concentration est suffisamment élevée pour for- mer une jonction pn peu profonde 12 pour effet Zener. Le long du bord de ladite fenêtre 6A est prévu un sous-domaine 13 du deuxième type de conduction, dans cet exemple, le type de conduction p, qui entoure ledit domaine principal 11 à l'intérieur de ladite fenêtre 6A. Le sous-domaine 13 s'é- tend en-dessous des couches isolantes protectrices 4,5. La profondeur dudit sous-domaine 13 est supérieure à celle de ladite jonction pn 12 à partir de ladite surface 3 du pre- mier domaine 2. A la suite de la diffusion latérale de ce sous-domaine profond 13 du deuxième type de conduction, il n'y a pratiquement aucun risque que les propriétés élec- triques de la jonction pn varient ou se dégradent, par ex- exemple qu'un court-circuit s'établissent dans le cas d'un contact direct entre l'électrode de contact 7 et la surface du domaine semiconducteur 2. La profondeur dudit sous-do- maine 13 vaut de préférence au moins le double de celle de ladite jonction pn 12 à partir de la surface 3 dudit premier domaine 2. La profondeur de ladite jonction pn 12 pour effet Zener est, par exemple, d'environ 500 À et la profondeur du- dit sous-domaine 13 est d'au moins environ 1000 A. Le gra- dient de concentration en impuretés de part et d'autre de la jonction pn est compris entre 1023 et 1024 atomes/cm-3. La diode décrite peut être fabriquée de la manière sui- vante, comme on peut le voir sur les figures 2 à 5. -6- La matière de départ est un substrat semiconducteur fait d'un silicium de type n dopé à l'antimoine d'une épais- seur comprise entre 250 et 350 Pm et d'une résistance spéci- fique de, par exemple 8 à 16 x 10-3 ohm.cm. Dans cet exem- ple, le substrat semiconducteur est utilisé comme premier domaine semiconducteur 2. Le premier domaine semiconducteur 2 peut aussi être formé par une couche de silicium épita- xiale qui est formée par croissance sur ledit substrat en une épaisseur de, par exemple, 25 Pm et présente une concen- tration en impuretés de type n d'environ 1 x 1016 atomes/ cm 3. Pour plus de clarté, une seule diode est représentée sur les dessins, bien qu'un grand nombre de diodes puissent naturellement être fabriquées simultanément sur un substrat semiconducteur 1. Sur la surface du premier domaine 2, une première couche isolante protectrice 4 d'oxyde de silicium est appli- quée par oxydation thermique en tant que premier masque pour le dopage avec une épaisseur d'environ 0,5 im. Une première fenêtre 6B pour la formation d'un domaine principal à haute concentration en impuretés est ensuite formée, par un pro- cédé de décapage, dans la première couche protectrice 4, par exemple une fenêtre carrée présentant des côtés d'en- viron 250 Pm (voir les figures 2 et 3). Un agent dopant de-type n, par exemple du phosphore, est introduit sélectivement- dans une zone du premier do- maine 2 par la première fenêtre 6B pour former le domaine principal. Le domaine principal comporte une zone de résistance spécifique assez basse qui est pourvue d'une plus dorte concentration en impuretés du premier type de conduction, par exemple de 5 x 1018 à 5 x 1019 atomes/cm3, que le do- maine semiconducteur environnant 2. Pendant ledit processus d'introduction de l'agent dopant de type n par une diffusion thermique classique, une très mince couche d'oxyde d'environ -7- 0,05 pm d'épaisseur, qui n'est pas représentée sur le des- sin, peut croître sur la surface de la première fenêtre 6B. Une autre couche isolante protectrice 5 de nitrure de silicium est déposée comme deuxième masque pour la crois- sance épitaxiale sélective, sur la surface 3, du premier domaine 2. Une deuxième fenêtre 6A présentant des côtés d'environ 300 pm, qui est plus grande que la première fenêtre 6B, est ensuite formée pour exposer une partie de la surface 3 du premier domaine 2, y compris la zone 11, en tant que domaine principal. Le domaine principal 11 est pratiquement centré à l'intérieur de la deuxième fenêtre 6A agrandie, comme le montre la vue en plan du dessus de la figure 2. La couche protectrice ne doit pas nécessairement être une couche double 4, 5 comme décrit. La couche protectrice doit servir de masque pour le dopage et de masque pour la croissance épitaxiale sélective, de sorte qu'une seule couche peut être utilisée. La préférence va toutefois à la double couche utilisée dans ce cas, parce que le nitrure de silicium protège l'oxyde de silicium contre le chlore pen- dant la croissance épitaxiale. Avec utilisation de la couche isolante protectrice à titre de masque, une couche de silicium épitaxiale 7 à haute concentration en impuretés renfermant un agent dopant de type p comme du bore, est déposée sélectivement sur la- dite surface exposée à travers ladite deuxième fenêtre 6A. Le dépôt épitaxial est obtenu par la technique connue d'é- pitaxie en phase vapeur. La matière première pour la crois- sance épitaxiale du silicium peut comprendre un composé de silicium, par exemple du trichlorosilane SiHC13 et cette matière première est amenée à l'état gazeux dans un réac- teur de croissance épitaxiale avec un gaz véhicule tel que de l'hydrogène H2 ou de l'argon Ar, un gaz décapant comme de l'acide chlorhydrique HC1 pour le décapage de ladite surface 3 exposée et une matière dopante, par exemple du Z488734 -8- diborane-B2H qui donne une concentration en impuretés pré- déterminée, par exemple de 2 x 1020 atomes/cm73. Etant donné que le réacteur de croissance épitaxiale est chauffé à une température supérieure à la température de décomposi- tion d'environ 10500 C pendant 2 à 10 minutes, la couche de silicium épitaxiale 7 déposée sur la surface exposée a une épaisseur d'environ 3 pm. Pendant la croissance épitaxiale, la jonction pn pour effet Zener est formée dans le domaine principal. Simultanément, un sous-domaine du deuxième type de conduction, qui entoure le domaine principal dans une deuxième fenêtre 6A,est formé et ce sous-domaine s'étend plus profondément dans le premier domaine 2 à cause de la plus faible concentration en agent dopant du premier do- maine 2. Finalement,-par rectification et décapage, l'épais- seur du corps semiconducteur est ramenée à environ 100 à Vm. Le conducteur métallique 8 est ensuite formé sur la couche épitaxiale 7 et l'autre électrode de contact 9 peut être formée à l'arrière du corps 1. Le corps semiconducteur est ensuite divisé en des diodes distinctes par rainurage et rupture ou d'une autre manière, et ces diodes peuvent être pourvues d'un enrobage comme il est fait de manière courante. L'invention n'est pas limitée à la forme d'exécution décrite. Lorsque, par exemple, une couche de silicium épi- taxiale est utilisée comme premier domaine semiconducteur, le domaine principal peut s'étendre, le cas échéant, jusqu' au substrat semiconducteur à concentration en impuretés plus élevée. La figure 6 illustre une autre forme d'exécution suivant laquelle on utilise un substrat semiconducteur à titre de premier domaine semiconducteur à haute concentration en im- puretés, sanscouche épitaxiale comme matière de départ. Ledit domaine peincipal 1i à densité de concentration d'im- puretés suffisamment grande pour former ladite jonction pn pour effet Zener est formé par ledit substrat fortement -9- dopé sans diffusion sélective pour ledit domaine principal. Les ficures 7 et 8 illustrent la fabrication des diodes représentées sur la figure 6 à des stades successifs de la fabrication. La matière de départ est un substrat semicon- ducteur 2 en silicium de type de conduction n, ayant une épaisseur de 350 pm et une concentration en impuretés de 2 à 5 x 1019 atomes/cm-3, utilisé comme domaine semiconduc- teur 2. Sur ledit premier domaine 2, une couche isolante protectrice 4, par exemple en oxyde de silicium, est appli- quée par oxydation-thermique-à titre de masque pour le do- page, en une épaisseur de 0,5 pm. Une fenêtre 6C est déli- mitée sous la forme d'un anneau. Le domaine intérieur à cet anneau doit devenir le domaine principal. Un sous-domaine 13 du type de conduction p est obtenu de la manière habi- tuelle, par exemple par implantation d'ions ou par diffusion thermique, par introduction d'un agent dopant de type p, par exemple du bore, dans une zone dudit premier domaine par ladite fenêtre 6C. La profondeur du sous-domaine 13 est d'environ 1000 pp (voir figure 7). Un masque présentant une fenêtre 6A qui laisse exposée la surface du domaine inté- rieur dudit anneau, est appliqué en tant que masque pour la croissance épitaxiale sélective. Une couche de silicium épi- taxiale 7 à haute concentration en impuretés renfermant un agent dopant de type p comme du bore, par exemple à la con- centration de 2 x 1020 atomes/cm-3, est déposée sélective- ment sur la surface exposée, selon le même procédé de crois- sance épitaxiale en phase vapeur que celui décrit plus haut, sur une épaisseur de 2 à 3 pm. Pendant la croissance épitaxiale, une jonction pn très peu profonde, par exemple d'environ 500 A de profondeur, est formée à partir de la surface du premier domaine, la jonction pn pour effet Zener ayant un gradient de concentra- tion en impuretés très abrupt de 1023 à 1024 atomes/cm 3, dans le domaine principal, au moins dans ladite fenêtre 6A. Ladite jonction pn est entourée par ledit sous-domaine et -10- la profondeur dudit sous-domaine est au moins le double de celle de ladite jonction pn, à partir de la surface 3. L'application d'électrodes de contact 8 et 9 et la sub- division en diodes distinctes sont réalisées de la même manière que celle décrite dans l'exemple de réalisation précédent. -11- - REVENDICATIONS - 1.- Diode Zener comportant un corps semiconducteur (1) qui présente un premier domaine semiconducteur (2) d'un pre- mier type de conduction adjacent à une surface (3) du corps, une couche isolante protectrice (4,5) sur la surface dudit premier domaine avec une fenêtre (6A) qui expose une partie de ladite surface, une couche épitaxiale (7) d'un deuxième type de conduction opposé au premier qui se trouve sur la- dite surface dans ladite fenêtre et un conducteur métallique (8) qui est placé sur ladite couche épitaxiale, caractérisée en ce que le premier domaine semiconducteur (2) comporte un domaine principal (11) présentant, au moins à l'intérieur de la fenêtre, une densité de concentration d'impuretés qui soit suffisante pour former une jonction pn (12) en vue de l'effet Zener et un sous-domaine (13) du deuxième type de conduction le long du bord de ladite fenêtre (6A), qui en- toure au moins une partie dudit domaine principal en vue de former ladite jonction pn, la profondeur dudit sous-domaine étant supérieure à celle de ladite jonction pn à partir de la surface dudit premier domaine. 2.- Diode Zener suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la profondeur dudit sous-domaine (13) est au moins le double de celle de ladite jonction pn à partir de la sur- face dudit premier domaine. 3.- Diode Zener suivant les revendications 1 et 2, ca- ractérisée en ce que ladite profondeur de ladite jonction o pn (12) pour l'effet Zener est d'environ 500 A et la profon- o deur dudit sous-domaine (13) est d'au moins environ 1000 A. 4.- Diode Zener suivant les revendications 1 à 3, carac- térisée en ce que le gradient de concentration d'impuretés, de part et d'autre de ladite jonction pn (12) pour l'effet 23 -3 Zener, est compris entre 1023 et 1024 atomes/cm3. 5.- Diode Zener suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit domaine principal (11) comporte une zone de résistance spécifique assez basse, qui possède une concen- tration en impuretés du premier type de conduction pius -12- élevée que le domaine environnant dudit premier domaine semiconducteur (2). 6.- Procédé pour fabriquer une diode Zener comportant un corps semiconducteur (1) qui présente un premier domaine semiconducteur (2) d'un premier type de conduction adjacent à.une surface (3) du corps, une couche isolante (4,5) pro- tectrice sur la surface dudit premier domaine avec une fe- nêtre (6A) qui expose une partie de ladite surface, une couche épitaxiale (7) d'un deuxième type de conduction op- posée au premier, qui se trouve sur ladite surface dans la- dite fenêtre, et un conducteur métallique (8) qui est placé sur ladite couche épitaxiale, caractérisé en ce qu'une couche isolante protectrice (4) est appliquée sur la surface du corps semiconducteur à titre de premier masque de dopage avec une première fenêtre (6B) servant à former un domaine principal (11) à haute concentration en impuretés, une im- pureté du premier type de conduction étant introduite dans une zone dudit premier domaine par ladite première fenêtre, un deuxième masque pour la croissance épitaxiale sélective est prévu, ledit deuxième masque comportant une deuxième fenêtre (6A) qui est plus grande que ladite première fenêtre afin d'exposer une partie de ladite surface du premier do- maine y compris ladite zone (11), ladite couche épitaxiale (7) étant déposée sur la surface exposée par la deuxième fenêtre et simultanément une jonction pn (12) pour l'effet Zener étant formée dans ledit domaine principal et un sous- domaine (3) du deuxième type de conduction étant formé le long du bord de la deuxième fenêtre, qui entoure le domaine principal (11). -