Brevet FR2543739A1 — publié le 19841005

-1- "PROCEDE DE REALISATION D'UN TRANSISTOR BIPOLAIRE HAUTE TENSION" La présente invention concerne un procédé de réalisa- tion d'un dispositif semiconducteur comportant au moins un transistor bipolaire haute tension obtenu à partir d'au moins trois couches épitaxiques superposées de types de con- duction alternés constituant successivement, entre autres, le collecteur, la base et l'émetteur dudit transistor et déposées sur un substrat faisant fonction de support, ledit dispositif étant inclus dans un caisson dont les cloisons latérales d'isolement, de même type de conduction que la couche épitaxique superficielle et que la couche épitaxique la plus profonde, pénétrent dans cette dernière après avoir traversé la couche épitaxique intermédiaire de forte épais- seur et de type de conduction opposé, procédé selon lequel d'une part l'épaisseur et la concentration de la couche superficielle sont telles que, en appliquant une tension inverse entre celle-ci et la couche intermédiaire, la zone désertée engendrée par cette tension s'étende notablement dans la couche la plus profonde pour une valeur de ladite tension inférieure à la tension de claquage de la jonction d'isolement créée le long des cloisons latérales, et selon lequel, d'autre part, la distance séparant lesdites cloisons latérales d'isolement des îlots de prise de contact de la couche intermédiaire est supérieure à la largeur de la zone désertée créée autour de la jonction d'isolement. La présente invention concerne également le disposi- tif obtenu par ce procédé. On sait que dans les composants semiconducteurs bipo- laires planaires de type classique sont formées des jonc- tions dites "actives" créées à partir de couches épitaxiques superposées de types de conduction alternés participant au -2- fonctionnement desdits composants, et isolées dans un com- partiment ou caisson. Lorsqu'il s'agit de transistors haute tension, le problème de cet isolement, notamment l'isolement latéral, est très important et il est connu alors, pour améliorer les caractéristiques électriques de ces composants, de donner auxdites jonctions actives une structure plane Pour ce faire, dans un premier temps, chaque caisson a donc été délimité latéralement à l'aide de gorges creusées à partir de la surface du corps semiconducteur portant lesdits tran- sistors pour donner à ces derniers une configuration connue des spécialistes sous le nom de "mésa" Eventuellement et selon la valeur des tensions appliquées, la surface de la gorge peut être recouverte d'une couche isolante d'oxyde. Cette solution présente cependant certains inconvé- nients En effet, la présence de gorges dans le corps semi- conducteur rend celui-ci fragile et, lors du sciage, opéra- tion nécessaire à la séparation des composants unitaires disposés sur une même plaquette, celle-ci qui se trouve sou- mise à des contraintes relativement importantes, présente souvent un certain nombre de félures, voire même de cassures à des endroits non désirés: d'o un rendement médiocre et un coût élevé, l'opération de sciage ayant lieu après l'éla- boration des parties actives des composants Par ailleurs, le creusage de la gorge est lui-même difficile car l'attaque chimique nécessaire au décapage représente une opération longue nécessitant une protection efficace des régions acti- ves à sauvegarder Un autre procédé consiste à remplacer les gorges par des îlots en forme de cloisons contenant en forte concentra- tion des impuretés de type de conduction opposé à celui de certaines couches épitaxiques qu'ils traversent Dans ces conditions, se trouve créée une jonction P-N d'isolement qui enveloppe les jonctions actives. Dans bon nombre de cas, quelle que soit la valeur de la tension de claquage susceptible d'être atteinte au niveau des jonctions actives, ledit claquage autour de ces jonctions -3- est précédé par celui produit en surface autour de la jonc- tion d'isolement, ceci étant dû notamment à la mauvaise répartition du champ autour de cette jonction et à la cour- bure de cette dernière Cet état de fait peut cependant être corrigé en faisant appel au procédé connu des spécialistes sous le vocable de "RESURF" a partir duquel a pu être réa- lisé le dispositif décrit dans le brevet français 2 415 370. Les avantages de ce procédé sont liés à un choix adéquat, d'une part du produit N d de la concentration N de dopage de la couche épitaxique de type opposé à celui des îlots d'isolement par l'épaisseur d de ladite couche et, d'autre part, de la valeur L représentant la distance entre les Ilots d'isolement et l'îlot de prise de contact de cette même cou- che épitaxique. Néanmoins, lorsqu'il s'agit de réaliser des transis- tors de puissance dits à haute tension, ce procédé n'est pas applicable dans les conditions actuelles de réalisation En effet, ceux-ci sont obtenus à partir d'au moins trois cou- ches épitaxiques successives de types de conduction alternés. Dans ces conditions, la mise en oeuvre du procédé ci-dessus décrit nécessiterait des diffusions de cloisons d'isolement jusqu'à des profondeurs pouvant atteindre 20 à 25 /m au moins. Compte tenu de la durée et des conditions thermiques, physi- ques et chimiques de telles diffusions, celles-ci entraînent alors des variations de l'épaisseur et de la concentration desdites couches Par ailleurs, la diffusion profonde des cloisons d'isolement exige une bonne protection de la surfa- ce de la couche épitaxique supérieure déposée sur le cristal semiconducteur Cette protection ne peut être assurée que par une couche épaisse d'oxyde sur laquelle seront déposées par la suite les couches métalliques de prise de contact. En conséquence, pour éviter la détérioration desdites cou- ches métalliques, notamment leur-rupture à l'aplomb de la tranche des ouvertures pratiquées dans la couche d'oxyde, la gravure de cette dernière, pour obtenir lesdites ouvertures, devra être du type dit "en pente douce" Or, on sait que cette opération est délicate, fastidieuse et de longue durée. -4- La présente invention a pour but de permettre l'ap- plication du procédé RESURF à la réalisation de transistors haute tension en remédiant aux inconvénients mentionnés ci-dessus. En effet, la présente invention concerne un procédé de réalisation d'un dispositif semiconducteur comportant au moins un transistor bipolaire haute tension obtenu à partir d'au moins trois couches épitaxiques superposées de types de conduction alternés constituant successivement, entre autres, le collecteur, la base et l'émetteur dudit transis- tor et déposées sur un substrat faisant fonction de support, ledit dispositif étant inclus dans un caisson dont les cloi- sons latérales d'isolement, de même type dé conduction que la couche épitaxique superficielle et que la couche épitaxi- que la plus profonde, pénètrent dans cette dernière après avoir traversé la couche épitaxique intermédiaire, de forte épaisseur et de type de conduction opposé, procédé selon lequel, d'une part l'épaisseur et la concentration de la couche superficielle sont telles que, en appliquant une ten- sion inverse entre celle-ci et la couche intermédiaire, la zone désertée engendrée par cette tension s'étende notable- ment dans la couche la plus profonde pour une valeur de ladite tension inférieure à la tension de claquage de la jonction d'isolement créée le long des cloisons laté- rales et selon lequel, d'autre part, la distance séparant lesdites cloisons latérales d'isolement des îlots de prise de contact de la couche intermédiaire est supérieure à la largeur de la zone désertée créée autour de la jonction d'isolement, procédé notamment remarquable en ce que les cloisons latérales d'isolement sont élaborées en au moins deux étapes, une première portion étant créée avant le dépôt de la couche épitaxique superficielle à partir de la surface de la couche dite intermédiaire préalablement déposée et de profondeur au moins égale à l'épaisseur de cette dernière et une seconde portion étant ensuite créée en regard de la pre- mière après le dépôt de ladite couche superficielle et à par- tir de la surface de celle-ci. L'élaboration des cloisons latérales d'isolement en deux étapes distinctes permet de réduire les effets sur l'épaisseur et la concentration des couches épitaxiques, des opérations nécessaires. C'est ainsi que l'on réduit notablement la durée de diffusion des cloisons d'isolement, diffusion qui, compte tenu des conditions dans lesquelles elle était habituelle- ment pratiquée provoquait une rediffusion transversale et une rediffusion latérale des impuretés contenues dans les couches épitaxiques dont la structure se trouvait alors modifiée. Par ailleurs, la réduction de la durée de diffusion permet de limiter l'épaisseur de la couche d'oxyde de pro- tection déposée à la surface de la couche épitaxique super- ficielle Cette amélioration permet d'éviter la gravure dite "en pente douce" lors de l'ouverture des fenêtres dans cette couche d'oxyde. De préférence, les deux portions des cloisons d'iso- lement sont obtenues parune diffusion appropriée d'une quan- tité déterminée d'impuretés donnant le type de conduction choisi. Avantageusement, pour diminuer la profondeur de la diffusion de la seconde portion des cloisons d'isolement effectuée à partir de la surface extérieure de la couche épitaxique superficielle et avant de réaliser ladite diffu- sion, on creuse dans ladite couche et à partir de cette sur- face extérieure une gorge située à l'aplomb de la première portion des cloisons d'isolement et de même configuration, la profondeur de ladite gorge restant inférieure A l'épais- seur de ladite couche épitaxique superficielle. De préférence, la profondeur de la gorge creusée dans la couche épitaxique superficielle est égale à la moi- tié de l'épaisseur de ladite couche. La présente invention concerne également le disposi- tif obtenu par ce procédé dans un substrat semiconducteur recouvert de trois couches épitaxiques successives et isolé dans un caisson à l'aide de cloisons traversant au moins la -6- couche épitaxique superficielle et la couche épitaxique intermédiaire, notamment remarquable en ce que lesdites cloisons d'isolement comportentdeuxîlots situés à l'aplomb l'un de l'autre, de même type de conduction et en contact entre eux. Dans une forme préférentielle de réalisation, les cloisons d'isolement dudit dispositif comportent une gorge creusée dans la couche épitaxique superficielle. La description qui va suivre, en regard des figures décrivant des exemples non limitatifs, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures 1, 2 et 3 représentent schématiquement et en coupe diverses étapes de mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans le but d'obtenir le dispositif illus- tré par la figure 4. La figure 5 représente une variante de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Il est à noter que, sur les figures, les dimensions sont considérablement exagérées et non proportionnées, ceci afin de rendre les dessins plus clairs. Selon les figures 1 à 3, pour obtenir un dispositif haute tension par le procédé conforme à l'invention, on part d'un substrat semiconducteur 1 d'un premier type de condue- tion donné, par exemple N, et à forte concentration d'Lmpu- retés de ce type. A la surface de ce substrat 1 faisant fonction de support mécanique, on dépose successivement une couche épi- taxique 2 de même type de conduction que ledit substrat, mais de forte résistivité, puis une couche épitaxique 3 d'un second type de conduction opposé au premier, donc P. La couche profonde 2, destinée à former le collecteur du ou des transistors haute tension créés dans le dispositif, aura donc une épaisseur voisine d'une dizaine de /n, alors que la couche 3, qui formera la base et dans laquelle sont prévus d'autres éléments, aura donc une épaisseur de l'ordre d'au moins 10 Pm, généralement de l'ordre de 15 /um. -7- A partir de la surface 3 a de ladite couche 3 et par des ouvertures 4 pratiquées dans une couche d'oxyde 5 recou- vrant cette surface 3 a, on diffuse localement des impuretés de type N dans une concentration importante et à une profon- deur au moins égale à l'épaisseur de la couche 3 Les îlots 6 a ainsi formés constituent la première portion des cloi- sons d'isolement conformes à l'invention (figure 1). Après avoir élimine la couche d'oxyde 5, l'opération suivante consiste à déposer une couche épitaxique superfi- cielle 7 du premier type de conduction et de résistivité élevée Les conditions thermiques nécessaires au dépôt de cette couche 7 font que les îlots 6 a créés préalablement dans la couche intermédiaire 3 évoluent légèrement et pénè- trent ainsi plus profondément dans la couche profonde 2 et progressent également dans ladite couche 7 en cours de for- mation (figure 2). La dernière phase des opérations nécessaires à la mise en place des cloisons d'isolement consiste à recouvrir la surface 7 a de la couche épitaxique superficielle 7 d'une nouvelle couche isolante d'oxyde 8 dans laquelle on ouvre ensuite des fenêtres 9 en regard des îlots 6 a déjà existants. Par ces fenêtres 9, on diffuse alors localement des impuretés de type N qui progressent à travers l'épaisseur de la couche 7 pour atteindre la première portion 6 a des cloi- sons d'isolement, les îlots 6 b ainsi créés constituant la seconde portion desdites cloisons (figure 3). Lorsqu'elles sont reliées entre elles, lesdites por- tions 6 a et 6 b forment alors les cloisons d'isolement 6. On constate que les tolérances d'alignement des îlots 6 b par rapport aux îlots 6 a ne sont pas critiques, le seul critère indispensable étant que lesdits îlots soient en con- tact entre eux d'une manière continue. La suite des opérations nécessaires à la réalisation du dispositif haute tension illustré par la figure 4 ne fait appel qu'à des techniques du procédé "RESURF" classiques bien connues des spécialistes: c'est ainsi que seront effec- tuées successivement la diffusion localisée des îlots 10 de -8 prise de contact de base, puis la diffusion localisée de l'îlot 11 d'émetteur à travers une nouvelle couche d'oxyde 12 Pour diminuer leur effet sur l'ensemble du dispositif, la diffusion des îlots 6 b de type N+ et celle des prises de contact 10 peuvent être avantageusement réalisées simulta- nément. Dans une variante illustrée par la figure 5, avant de diffuser les îlots 6 b de type N+ on creuse dans la cou- che 7, à partir de sa surface extérieure 7 a, des sillons 13 sensiblement en regard des llots 6 a et de profondeur généra- lement égale à la moitié de l'épaisseur de ladite couche 7. Cette solution a pour but de diminuer la durée de l'opération de diffusion des îlots 6 b et de restreindre ainsi les effets de cette opération sur l'ensemble du dis- positif. Quel que soit le mode de mise en oeuvre choisi, l'é- paisseur de la couche intermédiaire 3 est de l'ordre de pm et celle de la couche superficielle 7 d'environ 10 m. La distance qui sépare les cloisons latérales d'isolement 6 des prises de contact de base 10 est au moins égale à l'é- paisseur de la zone désertée créée autour de la jonction d'isolement desdites cloisons 6: ce critère, indispensable au bon fonctionnement du dispositif, n'impose aucune con- trainte particulière de réalisation compte tenu du niveau de précision auquel sont arrivés les moyens de photogravure. REVENDICATIONS - 1 Procédé de réalisation d'un dispositif semicon- ducteur comportant au moins un transistor bipolaire haute tension obtenu à partir d'au moins trois couches épitaxi- ques ( 2, 3, 7) superposées de types de conduction alternés constituant successivement, entre autres, le collecteur, la base et l'émetteur dudit transistor et déposées sur un substrat ( 1) faisant fonction de support, ledit dispositif étant inclus dans un caisson dont les cloisons latérales d'isolement ( 6), de même type de conduction que la couche épitaxique superficielle ( 7) et que la couche épitaxique la plus profonde ( 2), pénètrent dans cette dernière après avoir traversé la couche épitaxique intermédiaire ( 3) de forte épaisseur et de type de conduction opposé, procédé selon lequel, d'une part l'épaisseur et la concentration de la couche superficielle ( 7) sont telles que, en appliquant une tension inverse entre celle-ci et la couche intermédiaire ( 3), la zone désertée engendrée par cette tension s'étende notablement dans la couche la plus profonde ( 2) pour une valeur de ladite tension inférieure à la tension de claquage de la jonction d'isolement créée le long des cloisons laté- rales ( 6) et selon lequel, d'autre part, la distance sépa- rant lesdites cloisons latérales d'isolement ( 6) des llots ( 10) de prise de contact de la couche intermédiaire est supérieure à la largeur de la zone désertée créée autour de la jonction d'isolement ( 6), caractérisé en ce que les cloi- sons latérales d'isolement ( 6) sont élaborées en au moins deux étapes, une première portion ( 6 a) étant créée avant le dépôt de la couche épitaxique superficielle ( 7) à partir de la surface de la couche dite intermédiaire ( 3) préalablement déposée et de profondeur au moins égale à l'épaisseur de cette dernière et une seconde portion ( 6 b) étant ensuite créée en regard de la première ( 6 a) après le dépôt de ladite couche superficielle ( 7) et à partir de la surface de celle- ci. -10- 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux portions ( 6 a, 6 b) des cloisons d'isolement ( 6) sont obtenues par diffusion d'impuretés du type de conduction approprié. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, avant de réaliser la seconde portion ( 6 b) des cloisons d'isolement ( 6), on creuse dans la couche épitaxique superficielle ( 7) et à partir de la surface exté- rieure ( 7 a) de ladite couche une gorge ( 13) située à l'aplomb de la première portion ( 6 a) des cloisons d'isole- ment ( 6) et de même configuration, la profondeur de ladite gorge ( 13) restant inférieure à l'épaisseur de ladite couche épitaxique superficielle ( 7). 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la profondeur de la gorge ( 13) creusée dans la couche épitaxique superficielle ( 7) est égale à la moitié de l'é- paisseur de ladite couche. Dispositif obtenu par le procédé conforme à l'une des revendications 1 à 4 dans un substrat semiconducteur ( 1) recouvert de trois couches épitaxiques successives ( 2, 3, 7) et isolé dans un caisson a l'aide de cloisons ( 6) traversant au moins la couche épitaxique superficielle ( 7) et la couche épitaxique intermédiaire ( 3), caractérisé en ce que lesdites cloisons d'isolement ( 6) comportent deux îlots ( 6 a, 6 b) situés à l'aplomb l'un de l'autre, de même type de conduction et en contact entre eux. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les cloisons d'isolement ( 6) comportent une gorge ( 13) creusée dans la couche épitaxique superficielle ( 7).