Brevet FR2713827A1 — publié le 19950616

COMPOSANT A SEMICONDUCTEUR A DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT INTEGRE L'invention concerne un composant à semiconducteur à dispositif de refroidissement intégré. Le problème de l'évacuation des calories est une des limitations des composants de forte puissance. Afin de résoudre ce problème différentes méthodes sont utilisées selon le type de composant. L'objet de l'invention est une structure qui permettrait d'évacuer la chaleur plus efficacement que les méthodes connues. Le problème qui se pose pour les composants de puissance à semiconducteurs est d'amener en contact intime avec le lieu où se produit la dissipation de chaleur un très bon conducteur thermique. Parmi les solutions envisagées, on peut citer l'amincissement des plaquettes et la pose d'un radiateur métallique ou céramique en face arrière. Cette solution est délicate à mettre en oeuvre pour le GaAs. Car ce matériau étant un mauvais conducteur de la chaleur, il faut l'amincir jusqu'à des épaisseurs de l'ordre de 20 pm à 100 pm qui sont difficiles à maitriser et ne sont pas vraiment suffisantes. Une autre solution consiste à mettre des radiateurs métalliques en face avant ainsi que décrit dans la demande de brevet français n" 93 07392. II est connu par ailleurs que le meilleur conducteur thermique à température ambiante est le diamant. L'invention consiste à utiliser le diamant pour faire un radiateur optimal. L'invention concerne donc un composant à semiconducteur à dispositif de refroidissement intégré caractérisé en ce qu'il comporte un substrat semiconducteur sur une face au moins duquel est réalisé au moins un composant, avec des zones dopées etlou métallisées ainsi qu'une couche de diamant recouvrant ladite face, le substrat étant en matériau tel qu'il supporte les conditions de dépôt du carbone sous forme de diamant sans qu'il y ait dégradation des zones dopées ni métallisées. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - les figures i et 2, un exemple de composant réalisé selon l'invention; - la figure 3, une variante de réalisation selon l'invention selon laquelle la couche de diamant ne recouvre pas tout le composant semiconducteur; - les figures 4, 5a et 5b, des réalisations selon l'invention dans lesquelles sont prévues des connexions électriques au composant; - la figure 6, un composant selon l'invention avec refroidisseur sur la face arrière; - la figure 7, un composant avec boîtier d'encapsulation; - la figure 8, un composant avec une couche étanche entre le composant et la couche de diamant. En se reportant aux figures 1 et 2 on va donc décrire tout d'abord un exemple de réalisation d'un composant selon l'invention. Ce composant comporte sur un substrat 1 comportant une couche tampon, des zones de source, de grille et de drain S, G, D. Au-dessus de ces zones sont situées des connexions de source, de grille et de drain. La surface libre du composant est recouverte de diamant. L'épaisseur de cette couche est comprise entre 1 et 200 pm et est avantageusement d'environ 30 pm. Le substrat est en matériau tel que, lors de la réalisation de la couche de diamant à la température de dépôt du carbone, les zones de sources, de grille et de drain ainsi que les connexions ne sont pas dégradées de manière à ne pas entraîner la perte des fonctions du composant. Ces dégradations pourraient consister en la détérioration des connexions ou en la diffusion dans le substrat des zones dopées etlou du matériau des connexions. Par exemple le substrat est alors du SiC ou un nitrure d'élément Ill-V de la classification périodique des éléments (AIN, GaN, Bn etc...). De plus, de préférence, les zones de source, de grille et de drain qui sont dopées sont réalisées par épitaxie ou par implantation ionique. Le diamant polycristallin peut se déposer par une méthode de "hot filament cheminal vapor deposition" qui a été mise au point par des équipes soviétiques dans les années 1970 et qui a depuis été développée commercialement. Plusieurs sociétés proposent des dépôts de diamant polycristallin. Les conditions de dépôt généralement employées sont: dépôt chimique en phase vapeur en atmosphère d'hydrogène et méthane partiellement décomposé. Le substrat sur lequel la croissance a lieu est maintenu à une température d'épitaxie du diamant, d'environ 750" C à 900" C. Le substrat doit être choisi afin d'assurer une nucléation du diamant. Parmi les substrats qui sont favorables à la croissance du diamant, on trouve: des métaux (W, Mo), des carbures (WC, SiC) et des nitrures (AIN). Selon l'invention on dépose le diamant par la méthode décrite précédemment, directement sur un composant électronique en carbure de silicium (ou à base de nitrure Ill-V comme l'AIN) déjà réalisé. Ceci est rendu possible par l'utilisation de techniques de réalisation du composant qui lui permettent de résister aux conditions de dépôt ainsi que par le choix du substrat tel que le carbure de silicium comme semiconducteur, car ses propriétés sont proches du diamant et le coefficient de diffusion des impuretés dans le SiC est très petit aux températures de dépôt entre 700" C et 900" C. L'invention peut être illustrée par l'exemple de réalisation suivante: 1) - réalisation sur un substrat I d'un Mesfet ou d'un Mosfet tel que décrit dans la publication (Tyc et Arnodo ICSCRM, Nov. 1993, Washington DC USA, et. M. Spencer) dont la métallisation de source S et drain D est faite en Molybdène allié au SiC à très haute température ( > 1500 C) et qui peut résister aux conditions de dépôt du diamant, et dont la grille G est en Pt/PtSi par exemple. (Voir figure 1); 2) - dépôt de diamant 2 par la technique décrite ci-dessus. La préparation de surface n'étant pas nécessaire car le SiC et le Mo sont de bons substrats pour favoriser la nucléation du diamant. II faut noter que la nucléation du diamant sur le métal de grille n'est pas obligatoire car il est suffisant qu'il nuclée autour sur le SiC. Le dépôt peut se faire à 800" C environ pour une durée de 24 heures environ ce qui fournit une couche de diamant polycristallin de l'ordre de 30 pm (Voir figure 2). Le différentiel de dilatation thermique entre le SiC et le diamant étant suffisamment faible et le SiC étant un matériau dur, L'effet des contraintes est minimisé. Toutefois, si un effet bilame est à craindre, on peut réaliser l'épitaxie du diamant de manière localisée (voir figure 3) en protégeant les alentours du composant par un dépôt d'une couche non nucléante connue; 3) - à travers le diamant on fait des via trous 3 par une méthode connue (gravure RIE oxygène avec masque en aluminium par exemple), puis on vient contacter les sources qui sont reliées à un plan de masse 4 déposé sur le diamant. Ce plan de masse 4 fait office de contact métallique pouvant être brasé sur l'embase d'un radiateur 4). - II est également possible de rechercher les contacts Drain et Grille par des via trous et de les amener sur des lignes coplanaires sur la surface du diamant. Les figures Sa et 5b représentent un tel mode connexions. Sur la figure 5a on voit un exemple de composant possédant une grille G, un drain D et une source S. On voit également les plages de connexion gl, dl et s1 communes à plusieurs composants. L'ensemble étant recouvert, selon l'invention, par une couche de diamant, on réalise sur la surface du diamant (voir figure 5b) des surfaces conductrices qui communiquent à travers le diamant avec les plages de connexion. II est intéressant de remarquer que la structure proposée offre un avantage supplémentaire en outre de la meilleure conductivité thermique. Une des limitations actuelles des composants hyperfréquence sur le SiC est imposée par l'absence de substrats de très haute résistivité. Les substrats couramment vendus dans le commerce ont des résistivités maximum de l'ordre de 100 Ohm.cm, or il faudrait au moins 105 à 107 Ohm.cm pour être satisfaisant. La structure décrite précédemment (fig. 4 et 5) réduit considérablement les pertes capacitives dans le substrat de faible résistivité car les lignes de champ électrique se répartissent essentiellement dans le diamant qui a une tangente de perte de l'ordre de 2 104 et une résistivité très élevée (supérieure à 109 Ohm.cm). Selon une variante de réalisation de l'invention (figure 6), la face du substrat opposée à celle comportant le composant (D, S, G) est usinée de façon à être aminci au-dessous du composant à refroidir. Cette face du substrat et notamment la partie usinée 7 peut être aussi recouverte d'une couche de diamant 8 ce qui facilite le refroidissement du composant. Le figure 7 représente un perfectionnement de l'invention selon lequel on prévoit en contact avec la couche de diamant, un élément refroidisseur 9. Cet élément refroidisseur est en matériau bon conducteur de la chaleur en cuivre par exemple. II peut être soit de forme massive, soit avec ailettes de refroidissement. L'avantage de la couche de diamant est qu'elle est un isolant électrique permettant la présence d'une masse métallique telle que 9 à proximité du composant sans induire d'effet parasite. De plus, elle conduit efficacement la chaleur du composant vers l'élément refroidisseur 9. Selon l'exemple de réalisation de la figure 7, I'ensemble est placé dans un boîtier 10 (métallique par exemple). L'élément refroidisseur 9 est en contact avec le boîtier 10 et couple ainsi thermiquement la couche de diamant au boîtier 10. La figure 8 représente une variante de réalisation selon laquelle avant de réaliser la couche de diamant 2, on réalise sur la surface du composant une couche Il de carbure de silicium amorphe ou de silicium amorphe par dépôt en phase vapeur. La surface est ensuite préparée pour la rendre cristalline propice à la nucléation d'une couche de diamant qui est ensuite réalisée. Un exemple de préparation de la surface pour la nucléation du diamant est: dépôt sur le SiC amorphe d'une fine couche ( 10 à 1000 nm et préférablement 100 nm) de Sic ou de Si polycrystallin. Cette couche peut être déposée par une des méthodes connues en particulier le dépôt chimique en phase vapeur assisté plasma. Le rôle de cette couche 11 est de fournir au composant une protection étanche à l'humidité. REVENDICATIONS 1. Composant à semiconducteur à dispositif de refroidissement intégré, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat semiconducteur (1), sur une face au moins duquel est réalisé au moins un composant électronique (S, G, D) avec des zones dopées etlou métallisées ainsi qu'une couche de diamant (2) recouvrant ladite face, le substrat étant en un matériau tel qu'il supporte les conditions de dépôt du carbone sans qu'il y ait ni dégradation des zones dopées ni métallisées. 2. Composant à semiconducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le substrat (1) est à base de SiC ou à base de nitrure d'élément Ill-V de la classification périodique des éléments (ou à base d'alliage des composants sus-cités). 3. Composant à semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones dopées sont des zones réalisées par épitaxie ou par implantation ionique. 4. Composant à semiconducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les métallisations sont à base de métaux réfractaires, en particulier ceux susceptibles de former des carbures ou des siliciures (tel que Mo, Ta, Ti, W, Ni) ou des nitrures (tel que Ta). 5. Composant à semiconducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche de diamant comporte des trous faisant communiquer la surface extérieure de la couche de diamant avec les zones de connexions situées en contact avec les zones dopées et en ce que la surface extérieure de la couche comporte des conducteurs connectés auxdites connexions. 6. Composant à semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un plan de masse situé sur la couche de diamant. 7. Composant à semiconducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de diamant est comprise entre 1 et 200 clam. 8. Composant à semiconducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche de diamant (2) recouvre une partie seulement de la surface du substrat. 9. Composant à semiconducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément dissipateur (9) de la chaleur en matériau bon conducteur de la chaleur en contact avec la couche de diamant. 10. Composant à semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant est dans un boitier, et qu'il comporte au moins un élément en matériau massif bon conducteur (9) de la chaleur en contact, d'une part, avec la couche de diamant (2) et, d'autre part, avec le boîtier (1 0). 11. Composant à semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat comportent une partie amincie (7) située sous les zones dopées, cette partie amincie étant recouverte d'une couche de diamant (8). 12. Composant à semiconducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les zones dopées réalisent un transistor à effet de champ (MESFET, MOSFET, MISFET, HEMT, etc...), un transistor bipolaire ou une diode (PN, Schottky, PIN, photodiode, diode laser, etc.). 13. Composant à semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une couche d'encapsulation (11) située entre la couche de diamant (2) et le composant. 14. Composant à semiconducteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que la couche d'encapsulation (11) est du SiC amorphe ou de l'AIN ou du BN amorphe. 15. Procédé de réalisation d'un composant semiconducteur avec dispositif de refroidissement intégré, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - réalisation, sur un substrat (1) en SiC ou en nitrure d'élément III V de la classification périodique des éléments ou alliages , d'au moins un composant par épitaxie ou implantation ionique de zones dopées et par réalisation de zones de contacts: - dépôt d'une couche de diamant (2) par nucléation de carbone sur la surface du composant; - réalisation de trous (3) à travers la couche de diamant pour réaliser des connexions aux zones de contacts. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'on prévoit également une étape de connexion à la surface de la couche de diamant d'une pièce massive bonne conductrice de la chaleur. 17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'on prévoit avant la réalisation de la couche de diamant, la réalisation d'une couche d'encapsulation (11) ainsi qu'une couche de nucléation sur la surface du composant.