Brevet FR2508703A1 — publié le 19821231

La présente invention qui résulte des travaux de Jacques CHAMPON et Michel ROUMEGUERE du C E A, et Bruno MAURICE de la Société THOMSON SESCOSEM, concerne une diode Zener compensée en température et un procédé de fabrication d'une telle diode, cette diode étant ap- te notamment à fonctionner sous irradiations telles que des irradiations neutroniques. On sait qu'une diode est un composant élec- tronique constitué d'un matériau semi-conducteur com- prenant une région de type N et une région de type P. L'association d'une région de type N et d'une région de type P est connue sous l'expression de jonction PN. Sur la figure 1, on a représenté en trait plein la caractéristique d'une diode, c'est-à-dire la courbe donnant le courant électrique I en fonction de la tension V On constate que la diode présente deux régimes de fonctionnement possibles selon le sens de parcours du courant qui la traverse. La partie A de la caractéristique correspond au fonctionnement en direct, c'est-à-dire que le cou- rant entre dans la diode par la région P, et la partie B de la caractéristique correspond au fonctionnement en inverse, c'est-à-dire que le courant entre dans la dio- de par la région N. Sur la partie A de la caractéristique, la tension croît rapidement en fonction du courant jusqu'à atteindre une valeur VD au-dessus de laquelle la ten- sion varie peu En général, la valeur de la tension VD est comprise entre 0,5 volt et 1 volt. Sur la partie B de la caractéristique, le courant reste pratiquement nul jusqu'à ce que la ten- sion atteigne une certaine valeur notée Vz, appelée tension Zener ou d'avalanche, au-dessus de laquelle le courant croît très rapidement. Une diode Zener compensée en température, connue sous l'expression abrégée de diode ZCT, est un composant semi-conducteur dont la fonction est de réa- liser une référence de tension, c'est-à-dire qu'elle permet de garantir une tension stable quelles que soient les conditions d'environnement et notamment la température, la variation d'alimentation, l'irradia- tion neutronique, etc. Son principe consiste à mettre en opposition deux jonctions PN, l'une fonctionnant en inverse, l'au- tre en direct On aboutit ainsi à une dérive de la tension minimisée en température qui résulte d'un ajus- tement entre la dérive positive ou rapport d Vz/d T de la jonction fonctionnant en inverse ou jonction Zener et la dérive négative ou rapport d VD/d T relativement peu dépendante de la tension VD, c'est-à-dire de l'or- dre de -1,5/o C pour une tension VD d'environ 0,6 à 0,7 volt, En revanche, pour obtenir une variation d V z/d T du même ordre de grandeur (mais positive), il faut nécessairement une valeur de la tension Zener Vz d'environ 5,5 à 5,6 volts Ceci conduit à une tension totale du dispositif compensé en température d'environ 6,1 à 6,3 volts. Toute la technologie de réalisation d'une diode compensée en température doit donc s'employer à concevoir deux jonctions PN dont les régimes de fonc- tionnement sont très différents mais dont les dérives en température sont proches l'une de l'autre en valeur absolue A titre indicatif, la dérive en température d'une jonction fonctionnant en inverse pour Vz égale à 5,5 volts est de l'ordre de 2 10 4/OC La compensa- tion par une jonction PN fonctionnant en direct doit permettre de ramener cette dérive à une valeur au plus égale à 10 5/C. Parmilesprocédésde fabrication d'une diode Zener compensée en température, connus jusqu'à ce jour, il enestunquiconsisteàréaliserdesjonctions PN (ou diodes Zener) par épitaxie, c'est-à-dire que la région P est déposée sur un substrat de type N par l'intermédiaire d'un gaz vecteur à base d'iode, puis à recuire ces jonctions Ce mode de réalisation a l'avantage d'"enterrer" la partie active de la jonction PN loin des perturbations de sur- face, d'o une bonne fiabilité et une bonne reproducti- bilité, ce qui permet d'obtenir -des diodes de bonne qualité Les principaux paramètres de fabrication sont alors la résistivité du substrat de départ qui est liée à la concentration des particules dopantes de la région N, les durées et températures des différentes opéra- tions de recuit. L'assemblage complet de la diode ZCT est con- çu à partir du procédé décrit ci-dessus et de manière monolithique, c'està-dire que les deux jonctions PN sont réalisées sur un même substrat de type N, ce qui procure à leur liaison un couplage thermique idéal. Pour de plus amples détails sur la réalisation d'une telle diode ZCT, on peut se référer au brevet français n O 1 522 532 déposé le 17 mars 1967 par la société Ses- cosem et intitulé "Perfectionnements aux diodes Zener". Sur la figure 2, on a représenté une telle diode ZCT La partie 2 correspond approximativement à la jonction PN fonctionnant en direct, la flèche I don- nant le sens du courant traversant la diode, et la par- tie 4 à la jonction PN fonctionnant en inverse ou en Zener La région référencée 6 représente la région ac- tive enterrée de la jonction PN Cette diode ZCT est, de plus, munie de deux couches conductrices 8 déposées au-dessus des deux régions P desquelles partent des fils de connexions 10 permettant de relier électrique- ment la diode ZCT à différents circuits électriques, et de deux couches isolantes référencées 12 déposées sur une partie des deux régions N. Cependant, une telle diode ZCT subit de grands dommages lorsqu'elle est soumise à une irradia- tion neutronique En particulier, ceci entraine des mo- difications dans sa courbe caractéristique Ces modifi- cations ont été représentées en pointillé sur la figu- re 1. On constate que la tension VD diminue forte- ment tandis que le coefficient de température d VD/d T augmente en valeur absolue Par ailleurs, la tension Zener Vz augmente tandis que le coefficient de température d Vz/d T diminue. Il en résulte donc des variations importantes de la tension de référence totale ainsi que du coeffi- cient de température. De façon simplifiée, la dégradation des ca- ractéristiques électriques de la diode résulte de la création de défauts ou lacunes dans le matériau semi- conducteur, suite aux bombardements neutroniques, cor- respondant à un déplacement des atomes constituant le- dit matériau Ces lacunes vont avoir tendance à se dé- placer et à se regrouper avec d'autres impuretés for- mant ce qu'on appelle des défauts complexes Ce sont ces défauts qui vont modifier les caractéristiques électriques de la diode. L'invention a justement pour objet une diode Zener compensée en température et un procédé de fabri- cation d'une telle diode permettant de remédier à ces inconvénients et pouvant notamment fonctionner sous ir- radiation neutronique. De façon plus précise, l'invention a pour ob- jet un procédé de fabrication d'une diode Zener compen- sée en température, caractérisé en ce que l'on réalise séparément une première jonction PN en déposant par épitaxie un premier substrat en silicium de type P sur un premier substrat en silicium de type N puis en la soumettant à une diffusion d'impuretés métalliques, cette diffusion étant effectuée dans la région N de ladite jonction, et une seconde jonction PN en déposant par épitaxie un deuxième substrat en silicium de type P sur un deuxième substrat en silicium de type N diffé- rent du premier substrat en silicium de type N, et en ce que l'on relie les deux jonctions PN de façon que la première jonction PN puisse fonctionner en direct et que la seconde jonction PN puisse fonctionner en inver- se. La diffusion d'impuretés métalliques permet de conserver, après irradiation neutronique de la diode Zener, obtenue selon l'invention, une précision sur la dérive en température au plus égale à 10 5/C. Selon un mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, les impuretés métalliques sont des atomes d'or. Selon un autre mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, la diffusion des impuretés métalliques est effectuée à une température comprise entre 1 000 et 1 2001 C et de préférence cette tempéra- ture est d'environ 1 1000 C et ce, pendant environ 1 heure. La concentration du nombre d'impuretés mé- talliques diffusées définit l'efficacité de la compen- sation en température, cette concentration étant défi- nie par la température et la durée de la diffusion. Selon un autre mode préféré de réalisation de l'invention, le premier substrat en silicium de type N contient 2,4 1018 atomes de phosphore par centimètre cube et le second substrat en silicium de type N con- tient 2,8- 1018 atomes de phosphore par centimètre cube. L'invention a aussi pour objet une diode Ze- ner compensée en température, se caractérisant en ce qu'elle comprend une première jonction PN comprenant une première région en silicium de type P et une pre- mière région en silicium de type N, comportant des im- puretés métalliques introduites dans ladite région de type N par diffusion, et une seconde jonction PN com- prenant une seconde région en silicium de type P et une seconde région en silicium de type N, cette seconde région de type N étant obtenue par un dopage différent de celui qui est effectué pour la première région de type N, lesdites jonctions étant reliées l'une à l'au- tre de façon que la première jonction PN puisse fonc- tionner en direct et que la seconde jonction puisse fonctionner en inverse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui suit, donnée à titre purement illustra- tif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, sur lesquelles: la figure 1, déjà décrite, représente la caractéristique d'une diode Zener, c'est-à-dire la courbe donnant le courant I en fonction de la ten- sion V; la figure 2, déjà décrite, représente une diode Zener compensée en température de l'art anté- rieur; et, la figure 3 représente une diode Zener com- pensée en température obtenue selon le procédé de l'in- vention. Selon l'invention, le procédé de fabrication d'une diode Zener compensée en température ou diode ZCT consiste à réaliser deux jonctions PN séparément puis à les relier de façon que l'une des deux jonctions puisse fonctionner en direct et l'autre en inverse Les deux jonctions PN sont réalisées de façon très différentes. En ce qui concerne la jonction PN fonction- nant en direct, celle-ci est réalisée en déposant par épitaxie un substrat en silicium de type P sur un subs- trat en silicium de type N, puis en faisant diffuser à haute température des impuretés métalliques telles que des impuretés de platine, de fer, d'or etc Etant donné que la technologie de diffusion d'or est la plus facile à maîtriser, on choisira plutôt ce type d'impu- retés à tout autre Cette diffusion d'or peut par exem- ple être réalisée à partir d'un eutectique or-silicium réalisé sur la région N de la jonction puis en effec- tuant une étape de recuit à température élevée. Il est à noter que l'efficacité de la compen- sation en température sous irradiations neutroniques d'une diode ZCT dépend de la concentration des impure- tés métalliques diffusées Cette concentration dépend du temps pendant lequel est effectué le recuit ainsi que de la température à laquelle il est effectué Par exemple ce recuit sera effectué pendant environ une heure et à une température comprise entre 1 000 et 1 2000 C Des études ont montré que la meilleure tempé- rature de diffusion est d'environ 1 1000 C Ceci germet d'obtenir une concentration d'or d'environ 2 10 atomes par centimètre cube. Les impuretés métalliques diffusées vont se substituer à des atomes de silicium constituant le substrat Ces impuretés métalliques chargées négative- ment vont jouer le même rôle que les défauts complexes, créés lors d'un bombardement neutronique d'une diode ZCT de l'art antérieur, mais les défauts correspondant aux impuretés métalliques sont beaucoup plus stables. En ce qui concerne la jonction PN fonction- nant en inverse ou jonction Zener, celle-ci peut être réalisée en déposant par épitaxie un substrat en sili- cium de type P sur un substrat en silicium de type N La réalisation d'une jonction Zener par épitaxie a été dé- crite de façon détaillée dans le brevet français n O 1 522 532 précédemment cité. Sur la figure 3, on a représenté une diode ZCT obtenue selon le procédé de fabrication de l'inven- tion. Contrairement aux diodes ZCT de l'art anté- rieur les deux jonctions PN sont distinctes d'o la présence de deux régions N distinctes Comme précédem- ment, la partie 2 correspond à la jonction PN fonction- nant en direct, le sens du courant traversant la diode étant donné par la flèche I, et la partie 4 correspond à la jonction PN fonctionnant en inverse De même, la référence 8 correspond aux deux couches conductrices déposées au-dessus des deux régions P desquelles par- tent des fils de connexions 10, et la référence 12 cor- respond aux deux couches isolantes déposées sur une partie des deux régions N. Des études ont montré que la nature du subs- trat en silicium de départ de type N, pour les deux jonctions PN, joue, comme la diffusion d'impuretés mé- talliques à haute température, un grand rôle en ce qui concerne la stabilité de la tension et du coefficient de température notamment sous irradiations neutroni- ques. Pour obtenir une bonne compensation en tempé- rature selon l'invention, le substrat de type N de la jonction PN fonctionnant en direct sera obtenu par do- page d'un substrat en silicium par exemple homogène au moyen d'atomes de phosphore de façon que ledit substrat de type N contienne 2 à 3 1018 atomes par centimètre cube et de préférence 2,4 1018 atomes par centimètre cube De même, le substrat de type N de la jonction Zener sera obtenu par dopage d'un substrat en silicium au moyen d'atomes par dopage d'un substrat en silicium de façon que ledit substrat de type N contienne 2 à 3.1018 atomes par centimètre cube et de préférence 2,8 1018 atomes par centimètre cube. En ce qui concerne le substrat de type P ce- lui-ci peut être obtenu, pour les deux jonctions PN, par exemple par un dopage d'un substrat en silicium par du Bore avec une concentration de l'ordre de 1020 ato- mes par centimètre cube et la durée pendant laquelle a lieu l'épitaxie du substrat P sur le substrat N peut être d'environ 20 minutes. Pour des diodes Zener compensées en tempéra- ture obtenues selon l'invention, la dérive de la ten- sion est d'environ 2 millivolts, après avoir soumis lesdites diodes à un flux neutronique de 1014 neutrons par centimètre carré(équivalentàl Mev) et la précision sur la dérive en température de ces diodes est conservée En général cette précision est inférieure à 10-5/b C. 2508703 REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'une diode Zener compensée en température, caractérisé en ce que l'on réalise séparément une première jonction PN ( 2) en dé- posant par épitaxie un premier substrat en silicium de type P sur un premier substrat en silicium de type N puis en la soumettant à une diffusion d'impuretés mé- talliques, cette diffusion étant effectuée dans la ré- gion N de ladite jonction, et une seconde jonction PN ( 4) en déposant par épitaxie un deuxième substrat en silicium de type P sur un deuxième substrat en silicium de type N différent du premier substrat en silicium de type N, et en ce que l'on relie les deux jonctions PN de façon que la première jonction PN puisse fonctionner en direct et que la seconde jonction PN puisse fonctionner en inverse. 2 Procédé de fabrication selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les impuretés métalliques sont des atomes d'or. 3 Procédé de fabrication selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la diffusion des impuretés métalliques est effectuée à une température comprise entre 1 000 et 1 200 'C. 4 Procédé de fabrication selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que la température de diffu- sion est d'environ 1 1001 C. Procédé de fabrication selon l'une quel- conque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la durée de la diffusion est d'environ 1 heure. 6 Procédé de fabrication selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier et le second substrats en silicium de type N sont réalisés de façon qu'ils contiennent 2 à 3 1018 atomes de phosphore par centimètre cube. 7 Procédé de fabrication selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce que le premier substrat en silicium de type N contient 2,4 1018 atomes de phospho- re par centimètre cube. 8 Procédé de fabrication selon l'une quel- conque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le second substrat en silicium de type N contient 2,8 1018 atomes de phosphore par centimètre cube. 9 Diode Zener compensée en température, ca- ractérisée en ce qu'elle comprend une première jonction PN comprenant une première région en silicium de type P et une première région en silicium de type N, compor- tant des impuretés inétalliques introduites dans ladite région de type N par diffusion, et une seconde jonction PN comprenant une seconde région en silicium de type P et une seconde région en silicium de type N, cette se- conde région de type N étant obtenue par un dopage dif- férent de celui qui est effectué pour la première ré- gion de type N, lesdites jonctions étant reliées l'une à l'autre de façon que la première jonction PN puisse fonctionner en direct et que la seconde jonction PN puisse fonctionner en inverse. Diode Zener selon la revendication 9, ca- ractérisée en ce que la première région en silicium de type N contient 2,4 1018 atomes de phosphore par centi- mètre cube. 11 Diode Zener selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisée en ce que la se- conde région en silicium de type N contient 2,8 1018 atomes de phosphore par centimètre cube. 12 Diode Zener selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que les impu- retés métalliques diffusées sont des atomes d'or. 13 Diode Zener selon la revendication 12, caractérisée en ce que la concentration des atomes d'or est de 2 1016 atomes par centimètre cube.