Brevet FR2655193A1 — publié le 19910531

La présente invention concerne un dispositif semiconducteur de puissance symétrique muni d'un caisson périphérique, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel dispositif. Un dispositif semiconducteur de puissance symétrique doit bénéficier d'une tenue en tension sensiblement identique dans les deux directions. Pour tenir une tension par exemple de l'ordre de 1500 volts, il convient en particulier de prendre des dispositions périphériques efficaces et autant que possible simples à réaliser. Il est ainsi avantageux de n'avoir à prendre ces dispositions que sur une seule face du semiconducteur. Dans cet esprit, une méthode connue consiste à ramener la périphérie d'une jonction inférieure d'un semiconducteur de puissance vers sa face supérieure en réalisant des paires de caissons jointifs diffusés à partir de ses deux faces principales. La figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d'une structure connue d'un dispositif semiconducteur de puissance symétrique du type thyristor muni de caissons de liaisons réalisés selon une technique classique de diffusion profonde. Ce dispositif comprend un substrat 10 de silicium monocristallin dopé N dans lequel sont diffusées une couche 11 de type P sur une partie d'une première face (face supérieure) et une couche 12 de type P sur une deuxième face (face inférieure). Une couche 13 de type N est diffusée dans la couche 11. Des caissons 14, 15 mutuellement en regard sont diffusés autour de la couche 11 de manière à se rejoindre et à ramener la jonction PN existant entre les couches 12 et 10 vers la face supérieure du dispositif, chaque caisson étant diffusé sur une profondeur supérieure à la moitié de 1 'épaisseur totale. Toutefois, dans le cas où un tel dispositif doit présenter une tenue en tension élevée, les caissons peuvent atteindre une profondeur d'au moins 200 microns, ce qui nécessite une durée de diffusion très longue. On peut accélérer la réalisation des caissons par thermo-migration d'aluminium, mais un tel procédé est difficile à mettre en oeuvre sans perturber les autres caractéristiques du dispositif. L'invention a pour but de réaliser un dispositif semiconducteur de puissance symétrique du type comportant un caisson périphérique de grande profondeur dont la formation s'effectue toujours par une diffusion profonde, mais en éliminant les inconvénients inhérents à cette diffusion. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif semiconducteur de puissance symétrique comportant un substrat de silicium monocristallin d'un premier type de conductivité dans lequel sont formées par diffusion une première et une deuxième couches d'un même deuxième type de conductivité, la première couche étant diffusée sur une partie d'une première face dite face supérieure du dispositif et la deuxième couche étant diffusée sur une deuxième face dite face inférieure du dispositif, tandis qu'une troisième couche du premier type de conductivité est diffusée dans la première couche, caractérisé en ce qu'un caisson périphérique du deuxième type de conductivité est ménagé par diffusion profonde dans une zone de silicium poreux réalisée à la périphérie du dispositif, sur toute l'épaisseur de celui-ci. On comprend qu'ainsi en réalisant dans le substrat de départ en silicium monocristallin, sur toute l'épaisseur de celui-ci et à la périphérie du dispositif, une zone à fort coefficient de diffusion à l'aide de silicium poreux, il est possible de diffuser dans cette zone de silicium poreux un caisson périphérique de grande profondeur avec un temps de diffusion désormais tout à fait acceptable, c'est-à-dire considérablement réduit par rapport au temps de diffusion des caissons de grande profondeur dans le substrat de silicium monocristallin selon l'art antérieur.Pour donner un ordre de grandeur pratique, à partir d'un substrat d'épaisseur de l'ordre de 500 microns et pour des diffusions profondes de caissons identiques sur toute l'épaisseur du substrat, la durée de diffusion de ces caissons dans le silicium monocristallin est de l'ordre de quelques semaines, alors que dans le silicium poreux elle n'est plus que de l'ordre de quelques heures. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication du dispositif indiqué à partir d'une tranche de silicium monocristallin d'un premier type de conductivité ayant deux faces opposées parallèles définissant respectivement une face supérieure et une face inférieure du dispositif, ledit procédé étant caractérisé par les étapes suivantes - dépôt d'un film protecteur de masquage sur chacune des deux faces de la tranche, - ouverture de ces films protecteurs en des emplacements respectifs correspondant à la périphérie du dispositif, - formation par anodisation, à cette périphérie, d'une zone de silicium poreux de manière à obtenir, sur toute l'épaisseur de la tranche, une couche de silicium monocristallin du premier type de conductivité délimitée par la zone périphérique de silicium poreux, - retrait des films protecteurs, - diffusion profonde d'un dopant d'un deuxième type de conductivité dans la zone de silicium poreux à partir des faces supérieure et inférieure du dispositif de façon à former un caisson périphérique, cette diffusion profonde servant également à former dans la couche de silicium monocristallin du premier type de conductivité une couche du deuxième type de conductivité s'étendant à partir de la face inférieure du dispositif, - diffusion d'un dopant du deuxième type de conductivité dans la couche de silicium monocristallin du premier type de conductivité à partir de la face supérieure du dispositif de façon à former une autre couche du deuxième type de conductivité, - diffusion d'un dopant du premier type de conductivité dans ladite autre couche du deuxième type de conductivité de façon à former une autre couche du premier type de conductivité. Selon une autre caractéristique du procédé objet de l'invention, le retrait des films protecteurs est suivi d'un nettoyage et d'une oxydation à basse température des deux faces de la tranche afin de stabiliser la zone périphérique de silicium poreux obtenue. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante, qui se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et sur lesquels - la figure 1 qui a été décrite précédemment est une vue en coupe schématique d'un semiconducteur de puissance symétrique illustrant l'état de l'art antérieur; et - les figures 2 à 6 représentent des étapes successives de fabrications d'un semiconducteur de puissance symétrique du type thyristor selon l'invention. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif semiconducteur de puissance symétrique selon l'invention s'obtient à partir d'une tranche ou plaquette 20 de silicium monocristallin faiblement dopé N (dopage inférieur à 1014 atomes/cm3) et d'épaisseur e de l'ordre de 500 microns (figure 2); cette tranche 20 sert de substrat de départ et présente deux faces opposées parallèles 20a, 20b définissant respectivement les faces supérieure et inférieure du dispositif. La première étape de fabrication du dispositif selon l'invention, représentée à la figure 2, consiste à déposer sur chacune des deux faces 20a, 20b du substrat 20 un film protecteur de masquage 21 apte à résister à une attaque électrochimique mise en oeuvre ultérieurement au cours du processus de réalisation, comme on le verra plus loin; ce film protecteur 21 peut être soit du type organique, par exemple un bitume, soit du type minéral comme par exemple des oxydes et nitrures de silicium. L'étape suivante, illustrée à la figure 3, consiste à ouvrir des fenêtres 22 par un procédé photolithographique double face dans les films protecteurs 21 en des emplacements respectifs correspondant à la périphérie du dispositif. Ensuite, la plaquette est plongée dans un bain d'anodisation comprenant par exemple une solution à base d'acide fluorhydrique, l'électrode d'anode étant une électrode de platine; une tension est appliquée entre anode et cathode. On obtient ainsi la formation d'une zone périphérique 24 de silicium poreux dans les parties du substrat N 20 qui se trouvent en regard des fenêtres 22, sur toute l'épaisseur du substrat (figure 3). Il convient de noter que la zone 24 de silicium poreux est réalisée pour s'étendre sur une largeur importante, de l'ordre de 600 à 1000 microns, de sorte que la contrainte d'alignement de cette zone de silicium poreux entre les deux faces de la plaquette n'est pas dans ce cas particulièrement critique. On indiquera par ailleurs, à titre de variante, que la formation de la zone périphérique de silicium poreux peut également être obtenue par un procédé d'électro-érosion, connu en soi. Après formation de la zone périphérique 24 de silicium poreux (figure 3), on élimine par un procédé chimique classique les films protecteurs 21, puis on procède à un nettoyage et à une oxydation à basse température, de l'ordre de 4200C, des deux faces de la plaquette afin de stabiliser la zone périphérique de silicium poreux. Il convient de noter que cette opération d'oxydation à basse température est, de préférence, mise en oeuvre dans la suite du processus avant chaque opération d'oxydation à haute température, la couche d'oxyde de silicium obtenue par oxydation à basse température ayant une épaisseur de l'ordre de quelques centaines d'Angströms. On a désigné par la référence 25 sur la figure 4 la nouvelle tranche complexe de silicium obtenue, qui est définie par une zone centrale notée 26 du substrat de départ en silicium monocristallin de type N et par la zone périphérique 24 de silicium poreux stabilisé à fort coefficient de diffusion. L'étape suivante, illustrée à la figure 4, consiste en une oxydation à haute température, de l'ordre de 10000C, des deux faces de la tranche 25 pour obtenir la formation de deux couches de masquage en oxyde de silicium, de même épaisseur de l'ordre de 1 à 2 microns. Sur la figure 4, on a représenté sous forme d'une couche unique 28 d'oxyde de silicium sur chacune des deux faces 20a, 20b de la tranche 25 l'ensemble des deux couches obtenues en pratique par oxydations successivement à basse et à haute température. On procède ensuite (voir figure 5) à une désoxydation totale de la face inférieure 20b de la tranche suivie d'une ouverture de fenêtre 29 par photogravure dans la couche supérieure restante 28 d'oxyde de silicium en un emplacement correspondant à la zone périphérique 24 de silicium poreux. A partir de la face supérieure 20a (à travers cette fenêtre 29) et de la face inférieure 20b de la tranche, on procède à une diffusion profonde P+ dans la zone 24 de silicium poreux de manière à former un caisson périphérique 30. Au cours de la diffusion qui a lieu à partir de la face inférieure 20b de la tranche, il se forme aussi en bas de la région centrale N 26 une couche P+ 32, de manière à créer entre elles une première jonction PN. A titre d'exemple pratique, pour une tranche d'épaisseur de 500 microns, la diffusion profonde P+ du caisson périphérique 30 dans la zone de silicium poreux, effectuée à une température de 1150 Oc, dure approximativement 2 heures, ce qui est très rapide comparativement au temps de diffusion - de l'ordre de quelques semaines - que nécessitait jusqu'à présent la diffusion profonde d'un tel caisson dans du silicium monocristallin. Après formation du caisson périphérique 30 et de la couche P+ 32, on procède à une nouvelle oxydation à haute température (non illustrée) des deux faces de la tranche, suivie d'une ouverture d'une fenêtre (désignée par 34 sur la figure 5) par photogravure dans la couche d'oxyde de silicium formée sur la face supérieure 20a de la tranche; à travers cette fenêtre 34, on diffuse une couche P+ 36 dans la région N 26 de manière à créer entre elles une seconde jonction PN (voir figure 5). En variante, la couche P+ 36 peut être réalisée au cours de la diffusion profonde dans la zone de silicium poreux, et donc en même temps que la couche P+ 32, auquel cas la fenêtre 34 est réalisée à l'occasion de la réalisation de la fenêtre 29. Sur la figure 6, la formation par diffusion N+ d'une couche 38 dans la région 36 s'effectue d'une manière analogue à celle décrite ci-dessus pour la couche P+ 36. Quant aux opérations nécessaires pour les prises de contact, elles sont classiques et ne sont pas présentement décrites. Ainsi, le dispositif semiconducteur de puissance symétrique, représenté sur la figure 6 et obtenu par le procédé décrit ci-dessus, est un dispositif à 4 couches PNPN, par exemple du genre thyristor ouvrable par la gâchette (TOG), dont les électrodes principales sont repérées A(C), K(E) et l'électrode de commande par G. Le dispositif de puissance symétrique à 4 couches PNPN pourrait également être du genre transistor bipolaire à grille isolée (IGBT). REVENDICATIONS 1. Dispositif semiconducteur de puissance symétrique comportant un substrat (26) de silicium monocristallin d'un premier type de conductivité (N) dans lequel sont formées par diffusion une première (36) et une deuxième (32) couches d'un même deuxième type de conductivité (P+), la première couche (36) étant diffusée sur une partie d'une première face (20a) dite face supérieure du dispositif et la deuxième couche (32) étant diffusée sur une deuxième face (20b) dite face inférieure du dispositif, tandis qu'une troisième couche (38) du premier type de conductivité (N+) est diffusée dans la première couche (36), caractérisé en ce qu'un caisson périphérique (30) du deuxième type de conductivité (P+) est ménagé par diffusion profonde dans une zone (24) de silicium poreux réalisée à la périphérie du dispositif, sur toute l'épaisseur de celui-ci. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième couche (32) est formée lors de la diffusion profonde du caisson périphérique (30). 3. Procédé de fabrication du dispositif semiconducteur de puissance symétrique selon la revendication 1 ou 2, à partir d'une tranche (20) de silicium monocristallin d'un premier type de conductivité (N) ayant deux faces opposées parallèles (20a, 20b) définissant respectivement une face supérieure et une face inférieure du dispositif, caractérisé par les étapes suivantes - dépôt d'un film protecteur de masquage (21) sur chacune des deux faces de la tranche (20), - ouverture de ces films protecteurs (21) en des emplacements respectifs correspondant à la périphérie du dispositif, - formation par anodisation, à cette périphérie, d'une zone (24) de silicium poreux de manière à obtenir, sur toute l'épaisseur de la tranche, une couche (26) de silicium monocristallin du premier type de conductivité (N) délimitée par la zone périphérique (24) de silicium poreux, - retrait des films protecteurs (21), - diffusion profonde d'un dopant d'un deuxième type de conductivité (P+) dans la zone (24) de silicium poreux à partir des faces supérieure (20a) et inférieure (20b) du dispositif de façon à former un caisson périphérique (30), cette diffusion profonde servant également à former dans la couche (26) de silicium monocristallin du premier type de conductivité (N) une couche (32) du deuxième type de conductivité (P+) s'étendant à partir de la face inférieure du disposititf, - diffusion d'un dopant du deuxième type de conductivité (P+) dans la couche (26) de silicium monocristallin du premier type de conductivité (N) à partir de la face supérieure (20a) du dispositif de façon à former une autre couche (36) du deuxième type de conductivité (P+), - diffusion d'un dopant du premier type de conductivité (N+) dans ladite autre couche du deuxième type de conductivité (P+) de façon à former une autre couche (38) du premier type de conductivité (N+). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le retrait des films protecteurs (21) est suivi d'un nettoyage et d'une oxydation à basse température des deux faces (20a, 20b) de la tranche afin de stabiliser la zone périphérique (24) de silicium poreux obtenue.