Brevet FR2681474A1 — publié le 19930319

DIODE DE PUISSANCE A SEMI-CONDUCTEUR AVEC UNE CARACTERISTIQUE AMELIOREE DE DISSIPATION DE CHALEUR La présente invention se rapporte à des diodes de puissance à semiconducteur, et elle concerne particulièrement l'amélioration de la performance et plus précisément des possibilités de dissipation de chaleur de telles diodes. Les diodes de puissance à semi-conducteur sont classiquement réalisées de manière à avoir soit une structure planar soit une structure mésa Pour connexion dans un circuit, ces diodes sont pourvues de couches métalliques externes de contact chacune fixée à une face de semi-conducteur mise à nu Dans les dispositifs classiques de ce type, la superficie de contact, entre au moins l'une des couches métalliques de contact et la face de semi-conducteur associée, est au moins légèrement plus petite que la superficie de la jonction pn de diode. Il est bien connu qu'une augmentation de la superficie de contact entre le matériau semi-conducteur et les couches métalliques de contact présenterait un avantage en ce qu'elle servirait à réduire la résistance électrique de contact et à améliorer la conduction, vers un dissipateur de chaleur associé, de la chaleur produite lorsqu'une puissance électrique est dissipée au droit de la jonction pn Cependant, dans les diodes classiques du type décrit ci-dessus, la superficie de contact de la plus petite de deux couches métalliques de contact peut être augmentée seulement avec une augmentation correspondante de la superficie de la jonction pn et la superficie de cette jonction, de même que sa température de fonctionnement détermine la valeur de la puissance que la diode dissipera. Par conséquent, le rapport de la superficie de contact de la couche métallique de contact la plus petite à la superficie de la jonction peut être considéré comme un facteur de mérite pour la performance de tels dispositifs. Dans les dispositifs du type décrit ci-dessus, ce rapport est de façon inhérente plus petit que l'unité. Dans un effort pour augmenter le rapport décrit ci-dessus vers des valeurs égales ou supérieures à l'unité, il a été proposé (US-A-467,846) de fabriquer des diodes à partir d'un premier élément conformé pour comporter une mésa et d'un second élément fournissant une couche de contact avec une superficie plus grande que le sommet de la mésa et lié au sommet de la mésa afin de fournir un contact d'une grande superficie Une telle structure est représentée par la vue de côté en élévation de la figure 1. Cette diode comprend un premier élément 2 composé d'un substrat 4 fait d'un matériau semi-conducteur p+ et d'une couche épitaxiale 6 qui est développée par croissance sur le substrat 4 La couche 6 est du type de conductivité N et elle est pourvue, au droit de sa couche supérieure de surface 8, d'un dopage additionnel de type N de sorte que la couche diffusée 8 est du type de conductivité n+. Une jonction pn 10 existe entre le substrat 4 et la couche 6. La diode comprend en outre un second élément 12 constitué par un second substrat semi-conducteur du type de conductivité n+ Le substrat 12 possède une couche de connexion 14 par laquelle il est connecté au sommet de la région dopée 8 de la couche 6. Pour la connexion externe de la diode, une première couche métallique de contact 18 est formée sur la face inférieure du substrat 4 et une seconde couche métallique de contact 20 est formée sur la face supérieure du substrat 12. Telle que décrite jusqu'ici, la diode représentée à la figure 1 correspond à l'une des réalisations antérieures ci-dessus évoquée. Cependant, selon la technique antérieure, la connexion ensemble des deux éléments 2 et 12 doit être obtenue par une liaison directe de plaquette. La liaison directe de plaquette nécessite que les deux faces à lier ensemble aient un poli spéculaire et aient un degré de planéité extrêmement élevé Deux faces de silicium satisfaisant ces exigences peuvent être liées ensemble en pressant les faces ensemble à la température ambiante et en chauffant ensuite la liaison qui en résulte à une température supérieure à 10000 C pendant plusieurs heures. Cette technique peut être utilisée pour lier ensemble des faces de silicium ou de dioxyde de silicium Jusqu'à présent, cette technique a été jugée convenable pour former une liaison entre des faces ayant une interface d'une très petite superficie, par exemple de l'ordre de 0,25 mm ( 10 mils) de diamètre Des diodes de puissance du type considéré par la présente invention nécessitent des mésas dont les faces supérieures ont des diamètres sensiblement plus grand, de l'ordre de quelques millimètres (quelques centaines de mils), et il a été trouvé, dans l'état actuel de la technique des liaisons directes de plaquette, que cette technique n'a pas atteint le point auquel elle peut créer de façon fiable une liaison entre des faces dont les dimensions sont de cet ordre de grandeur. En plus, selon la technique antérieure, la passivation des bords de la jonction devait être obtenue par la mise en place d'une couche de dioxyde de silicium. C'est un objectif principal de la présente invention que de proposer des diodes de puissance à semi-conducteur améliorées, ayant une structure mésa et ayant des faces externes de contact qui sont d'une superficie plus grande que la jonction pn de la diode. Un autre objectif de la présente invention est de simplifier la fabrication et d'améliorer le rendement de telles diodes. Encore un autre objectif de l'invention est d'améliorer la passivation des bords de jonction de telles diodes. C'est encore un autre objectif de l'invention que d'améliorer la résistance mécanique de ces diodes. La présente invention propose à cet effet une diode de puissance à semiconducteur comprenant un substrat d'un matériau semi-conducteur d'un premier type de conductivité, une première couche de matériau semiconducteur d'un second type de conductivité, opposé au premier type de conductivité, et formant une jonction pn avec le substrat, la première couche ayant une face frontière qui est espacée de la jonction, et sensiblement parallèle à celle-ci, et qui a une superficie qui n'est pas plus grande que la superficie de la jonction, et une couche de contact d'un matériau semi-conducteur du second type de semi-conductivité ayant deux faces opposées incluant une face de connexion fixée à la face frontière de la première couche et une face externe de contact réalisant un contact de la diode et ayant une superficie plus grande que celle de la jonction pn, caractérisée par la présence d'une couche d'un métal à haut point de fusion capable à être brasé ou allié avec le matériau semi-conducteur, la couche étant interposée entre, et étant en contact avec, la face frontière de la première couche et la face de connexion de la couche de contact pour lier ensemble la première couche et la couche de contact. Les objectifs de la présente invention sont en outre atteints par un procédé de fabrication d'une pluralité de diodes de puissance à semiconducteur comprenant l'utilisation d'un premier élément composé d'un substrat de matériau semi-conducteur d'un premier type de conductivité et d'une pluralité de corps individuels de matériau semi- conducteur d'un second type de conductivité, opposé au premier type de conductivité, montés sur le substrat, chaque corps formant une jonction pn planar avec le substrat et ayant une face frontière qui est espacée de la jonction, et sensiblement parallèle a celle-ci, les corps constituant des mésas qui sont espacées les unes des autres; l'utilisation d'un second élément composé d'un matériau semi-conducteur du second type de conductivité et ayant une face de connexion; la mise en place de la face de connexion du second élément en face des faces de connexion de tous les corps individuels et la liaison de la face de connexion aux faces frontières; et, après l'étape de liaison, l'introduction d'un passivant dans l'état d'un fluide visqueux entre les premier et second éléments de telle manière que le passivant recouvre et entoure chaque corps et passive chaque jonction. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue de côté en élévation d'une diode de puissance à semi-conducteur selon un mode de réalisation préféré de la présente invention; et la figure 2 est une vue en coupe de côté en élévation d'un montage destiné a être utilisé dans la fabrication d'une plaquette contenant une pluralité de diodes selon la présente invention. Selon la présente invention, les inconvénients des dispositifs décrits dans les propositions antérieures sont éliminés de façon satisfaisante par la liaison de la face 14 de l'élément de silicium 12 à la face supérieure de la couche de silicium 6 par l'intermédiaire d'une couche métallique intercalée 24, de sorte que la liaison résultante est constituée par un système silicium-métal-silicium Le métal utilisé pour la couche 24 est un métal à haut point de fusion pouvant être brasé ou allié au silicium D'une manière préférable, il est fait usage d'un métal noble ou réfractaire Le métal noble préféré est l'argent et le métal réfractaire préféré est le titane. Les principes d'un tel système de liaison sont décrit, par exemple, dans le brevet US 4 510 672 de John Yakura déposé le 16 avril 1985. Il a été trouvé que pour la fabrication de diodes de puissance à semiconducteur ayant la structure représentée à la figure 1, le système de liaison silicium-métal-silicium offre des avantages significatifs en ce qu'il permet qu'une liaison fiable et durable soit formée au droit d'une interface ayant une superficie de face relativement grande sans nécessiter la préparation de surface soigneuse qui est une particularité intégrante de la technique de liaison directe de silicium proposée antérieurement. Les résultats de l'utilisation du système de liaison faisant l'objet de la présente invention comprennent l'obtention d'un taux de rebut sensiblement inférieur en même temps qu'un nombre réduit d'étapes de traitement. Puisque, selon la présente invention, la couche 24 contacte deux corps de conductivité n+, une liaison ayant une résistivité particulièrement faible sera obtenue. Puisque la température de fusion de, par exemple, l'argent se situe autour de 8630 C, on aurait pu penser initialement que la technique de liaison faisant l'objet de la présente invention devait être incompatible avec les autres traitements impliqués dans la fabrication de diodes de puissance à semi-conducteur Cependant, il a été déterminé que de telles diodes peuvent être fabriquées de façon satisfaisante en exécutant, avant l'étape de liaison, celles des étapes de fabrication qui nécessitent des températures de traitement plus élevées, et en exécutant après l'étape de liaison, celles des étapes de traitement qui nécessitent des températures plus faibles que la température de fusion du métal. Selon une particularité supplémentaire de l'invention l'aptitude des diodes de puissance ayant la structure décrite ci-dessus, a supporter des niveaux de tension élevés dépend dans une large mesure de la qualité de la passivation réalisée à la périphérie mise à nu de la jonction 10. Selon la technique antérieure, dont il a été fait mention, la passivation est obtenue par la formation d'une couche de dioxyde de silicium Cependant, il est d'une manière générale connu qu'une couche de dioxyde de silicium ne procure pas un degré particulièrement élevé de passivation, et qu'un degré sensiblement supérieur de passivation peut être obtenu avec d'autres supports diélectriques de passivation, dont des exemples remarquables sont les verres passivants. Compte tenu de la façon dont les diodes du type montré à la figure 1, devaient être produites en masse, il est tout à fait vraisemblable que les auteurs des propositions antérieures ont considéré qu'une couche de passivation qui pouvait être réalisée par croissance in situ était le seul passivant qui pouvait être utilisé. En réalisant que d'autres matériaux diélectriques, et particulièrement certaines compositions de verre sont des passivants sensiblement meilleurs que le dioxyde de silicium, et par conséquent pouvaient permettre aux jonctions de supporter des niveaux de tension sensiblement plus élevés, une nouvelle particularité supplémentaire de la présente invention réside dans un procédé efficace et facilement mis en oeuvre pour revêtir la jonction 10 de chaque diode avec un certain matériau de passivation qui peut être mis à l'état fluide à une température plus basse que la température de fusion de la couche métallique de liaison, étant entendu que la couche de passivation doit être appliquée après la liaison. La figure 2 représente une disposition de plaquette semi-conductrice fabriquée de manière à contenir une pluralité de diodes du type montré à la figure 1, laquelle structure doit être soumise à une découpe ultérieure en fin de fabrication pour fournir les diodes individuelles. La structure de plaquette montrée à la figure 2 comprend les éléments 2 et 12, l'élément 2 incluant une pluralité de mésas, qui s'étendent vers le bas à la figure 2 Chaque mésa est entourée par un fossé et les fossés entourant des mésas adjacentes communiquent les uns avec les autres pour réaliser un réseau d'interstices entre les éléments 2 et 12. L'élément 12 est pourvu d'un conduit traversant situé de manière à communiquer avec le réseau d'interstices entre les éléments 2 et 12 Le conduit traversant 30 est situé d'une manière préférable au centre de l'élément 12. Cependant, puisqu'à l'emplacement de l'ouverture 30 il ne peut pas être prévu une diode utilisable, il serait préférable de réaliser l'ouverture 30 suffisamment petite pour que sa présence élimine seulement une diode du lot. Après que les éléments 2 et 12 ont été liés ensemble de la manière décrite ci-dessus, l'ensemble plaquette résultant est placé sur un anneau de maintien 15, prêt pour introduction dans un montage composé d'une base 40 et d'un couvercle 50 La base 40 comporte une face supérieure munie d'une plate-forme surélevée et l'anneau 15 est dimensionné de telle manière qu'il puisse être monté glissant sur la plate-forme surélevée afin d'amener initialement la face extérieure du substrat 12, qui est munie de la couche de contact 20, dans une position qui est juste légèrement au-dessus de la face supérieure de la plate- forme surélevée L'espacement initial ne doit pas être plus grand que 0, 025 mm ( 1 mil). La base 40 est pourvue dans la région de la plate-forme d'un trou vertical 44 disposé pour être aligné avec le conduit traversant 30 lorsqu'un ensemble plaquette est monté sur l'anneau 15 et que l'anneau 15 est placé autour de la plate-forme L'intérieur du trou 44 communique avec un conduit de mise sous vide 46 qui s'étend jusqu'à l'extérieur du montage pour être relié à une source de vide, comme par exemple une pompe à vide Autour du trou 44 la plate- forme est munie d'une rainure annulaire 48 qui de préférence est concentrique avec l'axe du trou 44. L'intérieur de la rainure 48 communique avec le conduit de mise sous vide 46 par l'intermédiaire d'un conduit vertical de liaison 45. Le couvercle 50 est conformé de manière a présenté une chambre juste assez grande pour contenir l'anneau 15 et l'ensemble plaquette 2, 12 Deux conduits 52 et 54 s'étendent entre l'intérieur de cette chambre et, respectivement, une source de gaz, comme de l'azote, sous pression et, une soupape de limitation de pression, ou un régulateur de pression (non montrés) L'intérieur de la chambre peut être rendu étanche à l'aide d'au moins un, et de préférence de deux, joints toriques 60, qui sont chacun disposés dans un évidement annulaire respectif 62 qui peut également être concentrique avec l'axe du trou 44. La façon d'utiliser le montage montré à la figure 2 va maintenant être décrite L'ensemble plaquette 2, 12 est monté sur l'anneau 15 et l'anneau 15 est alors glissé autour de la plate-forme sur la base 40 Une succion est appliquée au conduit 46 et cette succion agit par l'intermédiaire de la rainure 48 pour tirer vers le bas l'ensemble substrat pour faire l'étanchéité entre le côté arrière et la région périphérique de l'ensemble Le vide communique, par le trou vertical 44 et le conduit 30, avec le réseau de fossés existant entre les éléments 2 et 12. Soit avant soit après le début d'un action de succion, un coulis 70 de matériau de passivation est introduit autour de la périphérie des éléments 2, 12 dans un évidement existant entre une paroi périphérique verticale de l'anneau 15 et la périphérie des éléments 2, 12 Le coulis a une composition tel qu'il demeure à l'état d'un liquide visqueux pendant qu'il est forcé entre les élément 2 et 12, comme on le décrira ci-dessous Le coulis 70 est introduit de telle manière qu'il entoure complètement la périphérique des élément 2, 12 L'action de succion par l'intermédiaire de la rainure 48 aide à empêcher le coulis d'être entraîné autour de la périphérie de l'ensemble sous la plaquette 12. L'action de succion, établie par le trou 44 et le conduit traversant 30, entraîne le coulis 70 radialement vers l'intérieur afin de remplir complètement tous les fossés Lorsqu'on observe que le coulis apparait dans le conduit traversant 30, on peut en conclure que tous les fossés ont été remplis En disposant le conduit traversant 30 au centre de l'élément 12, et en entourant complètement les éléments 2, 12 avec du coulis 70, il est créée une probabilité importante pour que tous les fossés soient complètement remplis. En ce qui concerne la composition du coulis 70, n'importe quelle composition connue appropriée peut être utilisée On donne au coulis une viscosité qui est choisie pour permettre au coulis d'être forcé entre les élément 2 et 12 par une différence de pression qui n'est pas trop grande, tout en garantissant que le coulis demeurera en place lorsque la différence de pression sera supprimée Un mélange préféré est composé de verre finement réduit en poudre dans un support visqueux, le support étant par exemple, un photorésist, ou de la cellulose et du Carbitol de butyle, etc Des coulis de ce type ont la viscosité souhaitée à température ambiante. D'une manière préférable la chambre formée dans le couvercle 50 est juste suffisamment grande pour recevoir l'anneau 15 et les éléments 2, 12 En plus, ou éventuellement à la place, de la force de succion imposée au coulis 70 un gaz sous pression, comme par exemple de l'azote, peut être introduit dans la chambre par le conduit 52 Afin d'empêcher la pression dans la chambre de dépasser une valeur souhaitée, le conduit 54 est de préférence connecté à la soupape de limitation de pression ou au régulateur de pression mentionnés ci-dessus. Ainsi, en créant une pression dans la chambre à partir du dessus une force supplémentaire est exercée sur le coulis 70 soumis à la pression pour aider à forcer le coulis 70 vers l'intérieur des éléments 2, 12 et plus précisément vers le conduit traversant 30 Ceci, en même temps que la succion créée par l'intermédiaire du conduit 46, garantit un remplissage complet de tous les fossés existant entre l'élément 2 et l'élément 12. Après la fin de l'opération de remplissage, l'ensemble constitué par les éléments 2, 12 est retiré du montage, le support visqueux du coulis demeurant à l'extérieur de l'ensemble est éliminé par brûlage et la poudre de verre contenue dans le coulis est alors cuite pour former un revêtement de verre épais, lisse, recouvrant toutes les surfaces intérieures et agissant comme couche de passivation à la fois pour les jonctions 10 et pour la liaison entre l'élément 12 et les régions 8. De plus, il a été trouvé que la présence du matériau de passivation augmente la résistance mécanique de l'ensemble 2, 12 avec comme résultat un pourcentage de bris plus petit lors de la découpe Ceci est vrai même si le passivant après cuisson, ne remplit pas complètement les parties formant les fossés. Bien que la description ci-dessus se réfère particulièrement à des modes de réalisation de la présente invention, on comprendra que de nombreuses modifications peuvent être apportées sans sortir de son esprit Les modes de réalisation décrits ici sont par conséquent à considérer de tous points de vue comme illustratifs non restrictifs. il REVENDICATIONS 1 Diode de puissance à semi-conducteur comprenant un substrat ( 4) d'un matériau semi-conducteur d'un premier type de conductivité, une première couche ( 6) de matériau semi-conducteur d'un second type de conductivité, opposé au premier type de conductivité, et formant une jonction pn ( 10) avec le substrat, la première couche ( 6) ayant une face frontière qui est espacée de la jonction, et sensiblement parallèle à celle-ci, et qui a une superficie qui n'est pas plus grande que la superficie de ladite jonction ( 10), et une couche de contact ( 12) d'un matériau semi-conducteur du second type de semi-conductivité ayant deux faces opposées incluant une face de connexion ( 14) fixée à ladite face frontière de ladite première couche ( 2) et une face externe de contact ( 20) réalisant un contact de ladite diode et ayant une superficie plus grande que celle de ladite jonction pn ( 10), caractérisée par la présence d'une couche ( 24) d'un métal à haut point de fusion capable d'être brasé ou allié avec le matériau semi-conducteur, ladite couche ( 24) étant interposée entre, et étant en contact avec, ladite face frontière de ladite première couche ( 6) et la face de connexion ( 14) de la couche de contact ( 12) pour lier ensemble la première couche ( 6) et la couche de contact ( 12). 2 Diode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le métal est de l'argent. 3 Diode selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite première couche ( 6) présente, au voisinage de ladite face frontière, un dopage en impureté élevé et en ce que ladite couche de contact ( 12) présente un dopage en impureté élevé. 4 Diode selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite première couche ( 6) a une surface périphérique s'étendant transversalement à ladite face frontière; en ce que ladite jonction ( 10) s'étend jusqu'à ladite surface périphérique, et en ce que ladite diode comprend en outre une couche de passivation à base de verre entourant ladite première couche ( 6) et recouvrant ladite jonction ( 10) au droit de ladite surface périphérique. Diode selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite couche de passivation à base de verre recouvre la région o ladite face de connexion ( 14) est fixée à ladite face frontière. 6 Procédé de fabrication d'une pluralité de diodes de puissance à semiconducteur caractérisé en ce qu'il comprend: l'utilisation d'un premier élément ( 2) composé d'un substrat ( 4) de matériau semi-conducteur d'un premier type de conductivité et d'une pluralité de corps individuels ( 6) de matériau semi-conducteur d'un second type de conductivité, opposé au premier type de conductivité, montés sur le substrat, chaque corps formant une jonction pn planar ( 10) avec ledit substrat et ayant une face frontière qui est espacée de ladite jonction ( 10), et sensiblement parallèle a celle-ci, les corps constituant des mésas ( 6) qui sont espacées les unes des autres; l'utilisation d'un second élément ( 12) composé d'un matériau semi-conducteur du second type de conductivité et ayant une face de connexion ( 14); la mise en place de la face de connexion ( 14) du second élément ( 12) en face des faces de connexion de tous les corps individuels ( 6) et la liaison de la face de connexion ( 14) aux faces frontières; et, après ladite étape de liaison, l'introduction d'un passivant ( 70) dans l'état d'un fluide visqueux entre les premier et second éléments ( 2, 12) de telle manière que le passivant ( 70) recouvre et entoure chaque corps ( 6) et passive chaque jonction ( 10). 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le passivant ( 70) contient du verre comme ingrédient principal. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque élément ( 2, 12) a une périphérie et en ce que le second élément ( 12) a une partie centrale o le second élément ( 12) est pourvu d'une trou traversant ( 30), et en ce que ladite étape d'introduction d'un passivant ( 70) à base verre comprend la délivrance d'une masse du passivant ( 70) à la périphérie du premier élément ( 2) et le fait de soumettre le passivant ( 70) à une différence de pression pour faire en sorte que le passivant s'écoule de la périphérie du premier élément ( 2) jusqu'au trou traversant ( 30) situé dans le second élément ( 12). 9 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite étape de soumission du passivant ( 70) à une différence de pression comprend l'établissement d'un vide au droit du trou traversant ( 30). Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite étape de soumission du passivant ( 70) à une différence de pression comprend l'établissement d'une pression positive au voisinage de périphérie de chaque élément ( 2, 12). il Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite étape de soumission du passivant ( 70) à une différence de pression comprend l'établissement d'une pression positive au voisinage de périphérie de chaque élément ( 2, 12). 12 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite étape de liaison comprend l'interposition, entre la face de connexion ( 14) et chaque face frontière, d'une couche ( 24) d'un métal à haut point de fusion qui peut être brasé ou allié avec le matériau semi-conducteur, et la liaison de la couche métallique ( 24) à la face de connexion ( 14) et à chacune des faces frontières. 13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le métal est de l'argent. 14 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite étape de liaison comprend l'interposition, entre la face de connexion ( 14) et chaque face frontière, d'une couche ( 24) d'un métal à haut point de fusion qui peut être brasé ou allié avec le matériau semi-conducteur, et la liaison de la couche métallique ( 24) à la face de connexion ( 14) et à chacune des faces frontières. 15 Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le métal est de l'argent.