Brevet FR2501914A1 — publié le 19820917

DIODE ZENER 4 A 8 VOLTS FONCTIONNANT EN AVALANCHE A FAIBLE NIVEAU DE COURANT ET PROCEDE DE FABRICATION. La présente invention concerne une diode Zener et plus particuliêrement une telle diode dont la tension de claquage est comprise entre 4 et 8 volts, par exemple voisine de 5 volts. On rappellera que le claquage des diodes dépend en fait de deux phénomènes physiques distincts. Danst les domaine des fait bles tensions de claquage (inférieures a 4 volts), il se produit un effet Zener c'est- -dire une transition de l'electron de valence dans la bande de conduction sous l'effet d'un champ électrique très elevé. Dans le domaine des plus fortes tensions (supérieures à 8 volts) il se produit un effet d'avalanche par multiplication des porteurs dans la zone de charge d'espace. On devrait donc parler de façon distincte de diode Zener ou de diode a avalanche d'un point de vue théorique.Dans la pratique, ces diodes sont indifferemment désignées par le terme diode Zener ou par le terne diode a avalanche indépendamment du phénomène physique mis en oeuvre. Par exemple, la tension de claquage est géneralement desigaée par la référence Vz qui fait normalement référence à l'effet Zener, ieme dans le cas où il se produit un effet d'avalanche. De façon générale, la courbe caractéristique d'une diode fonctionnant par effet d'avalanche présente un coude trams marqué et une faible impédance dynamique RZK au voisinage du coude.Par contre, pour une diode fonctionnant en effet Zener, on a pour des raisons inheren- tes à l'effet Zener une caractéristique présentant un coude relativement arrondi, c'est-à-dire une plus forte impédance dynamique. On s'interessera ici plus particulièrement aux diodes Zener dont la tension de claquage est intermédiaire entre 4 et 8 volts. Dans ce domaine, l'effet physique en cause est partiellement un effet Zener, partiellement un effet d'avalanche. On peut dire que le début de la caractéristique est une caract#ristique d'effet Zener et la suite de la caractéristique une caractéristique d'effet d'avalanche. Parmi les procédés connus pour fournir un coude moins arrondi, ou en d'autres termes pour fournir une ten sion de référence mieux définie aux faibles valeurs de courant, l'un consiste à utiliser une diode de très faible section. On arrive alors plus rapidement a un effet d'avalanche.Un inconvé- nient de ce procédé réside dans le fait que la diode considérée voit sa chute de tension augmenter plus. rapidement qu'une. diode de section plus importante quand le courant qui la traverse augmente. Il en résulte des pertes non négligeables qui peuvent entrainer rapidement la destruction de la. diode. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un nouveau type de diode Zener fournissant une tension de referen- ce bien définie pour de très faibles valeurs de- courant, par exemm pie de l'ordre de quelques dizaines de microampères, mais pouvant supporter des courants plus intenses. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé de fabrication d'une telle diode. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit une diode Zener constituée de l'association en parallèle d'une première portion de diode Zener de faible section a tension de seuil déterminée et d'une seconde portion de diode Zener à tension de seuil plus élevée, d'oW il résulte que la ca ractéristique de la diode Zener est celle de la première portion de diode Zener à faible courant et celle de la seconde portion de diode Zener a fort courant.En pratique, les deux portions de diode Zener devront avoir des tensions de seuil très voisines, par exemple la tension Zener de la seconde portion de diode Zener devra entre supérieure a celle de la première d'une valeur de l'ordre de quelques centaines de millivolts (de 100 à 500 millivolts par exemple). Une diode Zener selon la présente invention constituée a partir d'un substrat de silicium d'un premier type de conductivitE comprend, dans ce substrat, une première zone dopée selon le second type de conductivité, de faible section et de faible profondeur de jonction, entourée d'une seconde zone sensiblement de meme dopage mais de plus forte section et de plus grande profondeur de jonction, l'ensemble de ces deux zones étant recouvert d'un bouton de silicium en saillie dopé selon le second type de conductivité, ce bouton étant monocristallin sensiblement audessus de la première zone et polycristallin sensiblement audessus de la seconde zone. Un procédé de fabrication d'une diode Zener selon la présente invention, à partir d'un substrat de silicium d'un premier type de conductivité recouvert d'une couche de masquage telle qu'une couche de SiO2 munie d'une fenêtre, comprend les étapes consistant à : déposer une couche de silicium polycristallin dopé selon le second type de conductivité et la limiter à la fenêtre et aux rebords externes de celle-ci, en ménageant dans cette couche une ouverture; faire diffuser le dopant contenu dans le silicium polycristallin vers le substrat; procéder à une croissance épitaxiale de silicium dopé selon le second type de conductivité à une température et pendant une durée propre à limiter la profondeur de diffusion dans le substrat à une valeur plus faible que celle résultant de la première diffusion. Le terme substrat tel qu'il est employé ici désigne une couche de silicium monocristallin constituée directement d'une plaquette de silicium ou d'une zone supérieure diffusée d'une telle plaquette, ou d'une couche épitaxiale de silicium formée sur un substrat de silicium, ou d'une couche de silicium formée sur un substrat isolant, ou analogue. Dans la description détaillée ciaprès d'un mode de réalisation particulier, on décrira seulement les points liés aux caractéristiques essentielles de la présente invention. Bien entendu on pourra appliquer à la présente invention de nombreuses variantes et modifications connues dans le domaine de la fabrication et de la structure des diodes Zener. Par exemple, des diodes Zener pourront être entourées d'un anneau de garde. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles - les figures 1 et 2 représentent deux étapes successives de fabrication d'une diode Zener selon la présente invention; 0 -la figure 3 représente des caractéristiques tension (V) courant (I) d'une diode Zener selon la présente invention. ta figure 1 représente une première étape de fabrication d'une diode Zener selon la présente invention. Etant donné un substrat de silicium 1 d'un premier type de conductivité, par exemple de type N avec un niveau de dopage relativement élevé de l'ordre de 5.1018 atomes par cm3, on forme sur ce substrat une couche de masquage 2 constituée de silice (SiO2), de nitrure de silicium (Si3N4) ou autre. On dépose ensuite sur la plaquette une couche de silicium polycristallin qui est ouverte de façon à reposer uniquement sur la partie apparente du substrat 1 et au-dessus de la couche de masquage 2 à la périphérie de la fenêtre. Cette couche de silicium polycristallin 3 est fortement dopée selon le second type de conductivité, c'est-à-dire-de type P avec un niveau de dopage de l'ordre de 1020 atomes par cm3.La couche de silicium polycristallin est également munie d'une ouverture 4 dans laquelle apparait le silicium sousjacent. On notera que si cette ouverture est effectuée par masquage et attaque au plasma la surface du substrat sera légèrement attaquée ce qui favorise apparamment la réalisation d'une jonction Zener à cet emplacement. La couche de silicium polycristallin 3 peut être déposée par tout procédé connu, par exemple par voie chimique en phase vapeur à faible pression. Il importe néanmoins que ce dépôt soit effectué à une température peu élevée pour qu'il ne se réalise pas simultanément une diffusion du dopant de type P vers le substrat pendant le dépôt ou bien que cette diffusion soit extrêmement limitée. Dans une retape ultérieure, après une légère oxydation pour éviter une éventuelle diffusion #intempestive dans l'ouverture 4, un traitement thermique est effectué de façon à former par diffusion de façon contrôlée une zone 5 du second type de conducti vité formant une jonction 6 avec le silicium du substrat. Comme le représente la figure 2, après une étape de désoxydation partielle, on procède ensuite a une croissance épitaxiale de silicium de type P dopé à 1020 atones par cm3 pour former un bouton en relief 10. Cette croissance épitaxiale aura lieu sur les parties de la plaquette pour lesquelles de la couche de masquage 2 n'est pas apparente, c'est-à-dire d'une part au-dessus de la couche de silicium polycristallin 3, d'autre part au-dessus de la zone centrale 4 du substrat. Dans la zone 11 au-dessus du substrat, cette croissance épitaxiale sera de type monocristallin comme le substrat. Dans les zones situées au-dessus de la couche de silicium polycristallin 3, cette croissance épitaxiale résultera en une zone de silicium polycristallin 12.Cette épitaxie pourra être formée par exemple selon le procédé d'épitaxie à l'iode bien connu et une jonction Zener satisfaisante sera formée entre la zone 11 et la zone sousjacente du substrat. Eventuellement, au cours de l'épitaxie une légère diffusion dans le substrat aura lieu mais sans modifier sensiblement la profondeur de la jonction 6 et en formant seulement une jonction 13 de très faible profondeur en dessous de la zone 11. Par exemple, la profondeur de la jonction 6 sera de l'ordre de 1 à 2 microns alors que la profondeur de la jonction 13 sera de quelques milliers d'angstroems seulement. La jonction 6 pourra résulter d'un traitement thermique à 10000C pendant une demi-heure alors que le bouton épitaxié d'une hauteur de quelques dizaines de microns pourra résulter d'une épitaxie effectuée à 10000C en environ 15 minutes. Les dimensions de la zone centrale correspondant sensiblement à l'ouverture 4 ont été dans un mode de réalisation particulier de l'ordre de la quinzaine de microns alors que les dimensions latérales de la fenêtre ménagée de la couche de masquage 2 étaient de l'ordre de quelques centaines de microns. Ceci nous donne un rapport pouvant aller par exemple de 1/100 à 1/10.000 entre les surfaces de la première portion de diode Zener correspondant à la jonction 13 et celle de la seconde portion de diode Zener correspondant à la jonction 6. On notera que les étapes décrites précédemment permettent d'ajuster avec soin les dopages et les profondeurs des jonctions 6 et 13 de façon à obtenir une première et une seconde portion de diode Zener dont les tensions de claquage diffèrent d'une valeur choisie déterminable avec précision. On pourra par exemple obtenir des écarts de tension de claquage de l'ordre de 100 à 500 millivolts entre les deux portions de diode Zener, par exemple une première portion de diode Zener ayant une tension de claquage de 5,1 volts et une deuxième portion de diode Zener ayant une tension de claquage de 5,4 volts. En fait, ce qui est mal contrôlé, comme cela est classique dans la fabrication des diodes Zener est la valeur de chacune des tensions Zener mais leur différence est déterminée avec précision. La figure 3 représente des courbes de courant (I) en fonction de la tension (V) destinées à illustrer le fonctionnement d'une diode Zener telle que représentée en figure 2. Ces courbes ont en fait été déformées par rapport aux courbes réelles pour mieux faire-ressortir les avantages de la présente invention. La courbe 20 représente la caractéristique de la première portion de diode Zener correspondant à la jonction 13 de très faible section. Cette portion de diode Zener entre en fonctionnement la première et entre dans un régime d'avalanche assez rapidement dès que le courant atteint une valeur de 11 ordre de la dizaine de microampères. La courbe 30 représente la caractéristique de la deuxième portion de diode Zener correspondant à la jonction 6. t'effet Zener est plus nettement marqué par rapport à l'effet d'avalanche qui ne commence que pour une saleur du courant dc l'ordre du milliampère. Néanmoins, au-dessus de cette valeur, la résistance dynamique correspondant à cette deuxième courbe 30 est plus faible que celle correspondant à la courbe 20. Ainsi, les deux courbes se recoupent pour une valeur voisine par exemple de 100 milliampères. te dispositif selon la présente invention suit la courbe caractéristique 20 jusqu'à la valeur de 100 milliampères puis ensuite suit la caractéristique de la courbe 30. On obtient ainsi une diode Zener dont le fonctionnement est bien défini pour de très faibles valeurs du courant, à partir de la dizaine de microampères et dont la tension de référence reste convenablement définie pour des valeurs élevées du courant supérieures a la centaine de milliampères. Il résulte de l'illustration faite en figure 3 que l'écart de tension dVl quand le courant varie entre 10 microampères et 1 milliampère est nettement plus faible dans le cas de la caractéristique 20 que l'écart de tension correspondant dV2 pour la courbe 30 conformément au but visé par l'invention. Bien entendu, les exemples numériques donnés ne doivent pas être interprétés de façon limitative et l'on pourrait viser une optimisation des caractéristiques dans une autre plage que celle allant de 10 microampères à 1 milliampère. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisations qui ont été explicitement décrits. Elle en englobe les diverses variantes et généralisations incluses dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Diode Zener, caractérisée en ce qu elle est constituée de l'association en parallèle d'une première portion de diode Zener de faible section à tension de seuil déterminée et d'une seconde portion de diode Zener à section plus importante et à tension de seuil plus élevée, d'où il résulte que la caractéristique de la diode Zener est celle de la première portion de diode Zener à faible courant et celle de la deuxième portion de diode Zener à fort courant. 2. Diode Zener selon la revendication 1, constituée à partir d'un substrat de silicium d'un premier type de conductivité, caractérisée en ce qu'elle comprend, dans ce substrat, une première zone dopée selon le second type de conductivité de faible section et de faible profondeur de jonction entourée d'une seconde zone sensiblement de même dopage mais de plus forte section et de plus grande profondeur de pénétration, l'ensemble de ces zones étant recouvert d'un bouton de silicium en saillie dopé selon le second type de conductivité, ce bouton étant monocristallin sensiblement au-dessus de la première zone et polycristallin sensiblement au-dessus de la deuxième zone. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première zone a une section de l'ordre de quelques centaines de microns carrés et la deuxième zone une section de l'ordre de quelques dizaines de milliers de microns carrés. 4. Diode selon la revendication 2, caractérisée en ce que le substrat est de type N et a un niveau de dopage de l'ordre de 5.1018 atomes par cm3 et les première et deuxième zones sont de type P et ont une concentration superficielle de l'ordre de 1020 atomes par cm3. 5. Diode selon la revendication 4, caractérisée en ce que la première zone a une profondeur de jonction de l'ordre de quelques dizièmes de microns et la deuxième zone une profondeur de jonction de l'ordre de quelques microns. 6. Procédé de fabrication d'une diode Zener à partir d'un substrat de silicium d'un premier type de conductivité recouvert d'une couche de masquage telle qu'une couche de silice munie d'une fenêtre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - déposer une couche de silicium polycristallin dopé selon le second type de conductivité et la limiter à la fenêtre et au rebord de celle-ci en ménageant dans cette couche une ouverture; - procéder à un traitement thermique contrôle pour faire diffuser le dopant du second type de conductivité contenu dans le silicium polycristallin vers le substrat; ; - procéder à une croissance épitaxiale de silicium dopé selon le second type de conductivité à une température et pendant une durée propre à limiter la profondeur de diffusion dans le substrat à une valeur inférieure à celle résultant du traitement thermique précédent. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de silicium polycristallin et le silicium déposé par croissance épitaxiale sont dopés selon le second type de conductivité avec un niveau de dopage de l'ordre de 1020 atomes par cm3. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de silicium polycristallin est déposée par voie chimique en phase vapeur à faible pression. 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la croissance épitaxiale est effectuée selon le procédé d'épitaxie à l'iode.