Brevet FR2803103A1 — publié le 20010629

DIODE SCHOTTKY SUR SUBSTRAT DE CARBURE DE SILICIUM La présente invention concerne la réalisation d'une diode Schottky. Dans le domaine des composants semicrnducteurs, le matériau principalement utilisé à l'heure actuelle est le silicium. Pour la tenue de tensions très élevées, le carbure de silicium est a priori préférable car le carbure de silicium peut supporter des tensions par unité d'épaisseur environ 10 fois plus élevées que le silicium. Toutefois, dans l'état actuel de technologies, les filières couramment utilisées pour la réalisation de cnomposants à base de silicium ne sont pas transposables pour la réalisation de composants à base de carbure de silicium (SiC). En particulier, il n'est actuellement pas possible en pratique de réaliser des implantations et diffusions de dopants de type P dans du carbure de silicium dopé de type N, en notant que le dopant de type P couranmment utilisé pour le carbure de silicium est de l'aluminium et le dopant de type N est de l'azote. En effet, un recuit pour diffusion d'une implantation d'un dopant de type P nécessiterait des températures de l'ordre de 1700 C, ce qui pose des problèmes technologiques aigus. La structure élémentaire d'une diode Schottky est illustrée en figure 1. Cette diode est constituée à partir d'un substrat 1 de type N fortement dopé sur lequel est formée une couche épitaxiée 2 de type N convenablement dopée pour avoir le seuil Schottky souhaité. Sur cette couche épitaxiée N est déposé de l'oxyde de silicium 3 délimitant une fenêtre dans laquelle on veut établir le contact de Schottky au moyen d'une métallisation appropriée 4. La face arrière du composant est revêtue d'une métallisation 5. Une telle structure présente une très mauvaise tenue en tension. En effet, les équipotentielles tendent à se recourber pour remonter vers la surface et il en résulte, notamment dans les zones de courbure des équipotentielles de très fortes varia- tions de champ qui limitent la tenue en tension en inverse possible. Pour éviter cet inconvénient, on utilise classiquement dans le domnaine des composants à base de silicium la structure repré- sentée en figure 2 dans laquelle un anneau périphérique 6 de type P est formé à la périphérie de la zone de la diode Schottky. Il en résulte que les équipotentielles doivent passer en volume sous les régions P et présentent donc une courbure moins marquée. La tenue en tension de la diode en est considérablement améliorée. A titre d'exemple avec du silicium d'un niveau de dopage de 1016 at./cm3, on aura une tenue en tension de l'ordre de 10 V sans anneau de garde et de l'ordre de 50 V avec anneau de garde. Toutefois, comme on l'a indiqué précédemment, la réali- sation d'un tel anneau de garde de type P n'est pas réalisable dans une structure réalisée sur un substrat de carbure de sili- cium. Dans ce cas, la structure simple illustrée en figure 1 n'est pas non plus souhaitable pour les mêmes raisons que dans le cas d'un substrat de silicium. Ainsi, la présente invention vise à prévoir une struc- ture de diode Schottky compatible avec des procédés de fabrica- tion simples de carbure de silicium et qui permette une tenue en tension relativement élevée. Pour atteindre ces objets, la présente invention pré- voit une diode Schottky verticale comprenant une couche de carbure de silicium de type N à faible niveau de dopage formée par épitaxie sur un substrat de carbure de silicium à fort niveau de dopage, dans laquelle la périphérie de la zone active de la diode est revêtue d'une couche épitaxiée de carbure de silicium de type P; une tranchée traverse la couche épitaxiée de type P et pénètre dans au moins une partie de la hauteur de la couche épitaxiée de type N au-delà de la périphérie de la zone active; le niveau de dopage de la couche épitaxiée de type P est choisi pour que, pour la tension maximale que la diode est susceptible de supporter, les équipotentielles correspondant à environ 1/4 à 3/4 de la tension maximale se prolongent jusqu'à la tranchée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le niveau de dopage de la couche épitaxiée de type P est légèrement supérieur au dopage de la couche épitaxiée de type N. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la distance entre la périphérie externe de la zone active et la périphérie interne de la tranchée est de l'ordre de 30 à 60 pm. La présente invention vise aussi un procédé de fabrica- tion d'une diode Schottky verticale sur un substrat de carbure de silicium fortement dopé de type N, comprenant les étapes consis- tant à former une couche épitaxiée faiblement dopée de type N; former une couche épitaxiée dopée de type P; creuser une tranchée périphérique; déposer une couche isolante; former une ouverture centrale traversant la couche isolante, la couche épitaxiée de type P et la couche épitaxiée de type N; et déposer un métal susceptible de former une barrière Schottky avec la couche épi- taxiée de type N. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le niveau de dopage de la couche épitaxiée de type P est choisi pour que, pour la tension maximale que la diode est susceptible de supporter, les équipotentielles correspondant à environ 1/4 à 3/4 de la tension maximale se prolongent jusqu'à la tranchée. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'une diode Schottky élémentaire; la figure 2 est une vue en coupe simplifiée d'une diode Schottky classique sur substrat de silicium; et la figure 3 est une vue en coupe schématique d'une diode Schottky sur substrat de carbure de silicium selon la pré- sente invention. Conformément à l'usage dans le domaine de la représen- tation des semiconducteurs, les diverses couches des diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle, ni dans leurs dimensions horizontales, ni dans leurs dimensions verticales. La diode Schottky de la figure 3 est formée à partir d'une plaquette de carbure de silicium 11 fortement dopée de type N. Le dopant de type N est par exemple de l'azote. Sur la pla- quette 11 est formée une couche mince épitaxiée 12 de type N plus faiblement dopée. Pour une tenue en tension recherchée de l'ordre de 600 à 1000 V, cette couche épitaxiée aura une épaisseur de l'ordre de 3 à 6 Hm. Le contact Schottky est formé entre cette couche 12 et une métallisation 14, par exemple un siliciure de platine, de titane ou de nickel ou autre. La face arrière de la plaquette 11 est revêtue d'une métallisation 5 correspondant à la cathode de la diode. Selon l'invention, avant de réaliser le dépôt de la mé- tallisation 14, on procède successivement aux étapes suivantes: formation d'une couche mince épitaxiée 15 de carbure de silicium dopée de type P, le dopant étant par exemple de l'alumi- nium, formation d'une tranchée périphérique 16 ayant sensi- blement la profondeur de la scmne des épaisseurs des couches épi- taxiées 12 et 15, dépôt d'une couche d'un isolant de protection 17, par exemple de l'oxyde de silicium, et formation d'une ouverture centrale dans laquelle est formée la couche de métal Schottky 14 qui est donc en contact avec la couche N 12 et qui polarise la couche P 15. La distance entre la périphérie de contact Schottky et la tranchée est de l'ordre de 30 à 60 Mm, par exemple de 40 um. Le dopage de la région 15 de type P est choisi pour que, quand une tension voisine de la tension maximum que doit supporter la diode en inverse est appliquée à celle-ci, les équi- potentielles au lieu de remonter toutes vers la surface s'éten- dent au moins partiellement jusqu'à la zone de la tranchée 16. On cherche par exemple à obtenir que, quand la tension inverse maxi- male est appliquée, l'équipotentielle correspondant à une valeur comprise entre 1/4 et 3/4 de la tension maximale atteigne la tranchée. En évitant ainsi que les équipotentielles soient trop rapprochées, et qu'elles présentent des courbures trop pronon- cées, on évite qu'il existe dans le composant, ou dans l'isolant qui l'entoure, des zones o les champs soient trop importants. Une solution proche de l'idéal est celle illustrée par les équi- potentielles représentées en pointillés en figure 3. Pour une diode pouvant supporter 800 à 1000 V, on a représenté quatre équipotentielles correspondant à quatre valeurs également répar- ties du potentiel, par exemple des valeurs proches de 200, 400, 600 et 800 V. On notera que l'équipotentielle correspondant sen- siblement à 600 V atteint la tranchée. La façon dont sont réparties les lignes de champ dépen- dra essentiellement du niveau de dopage de la couche épitaxiée de type P qui par contre pourra être très mince et avoir une épais- seur de l'ordre de 1 à 3 Mm. L'hommne de l'art saura choisir le niveau de dopage optimal de la courbe épitaxiée de type P, en fonction notanmment de la tension de claquage visée et du dopage et de l'épaisseur de la couche épitaxiée de type N, en utilisant des procédés de simu- lation connus, par exemple en utilisant le programme de simula- tion ISE-DESSIS. Plus particulièrement, la tension inverse appliquée étant de l'ordre de 800 V, pour une épitaxie de type N d'une épaisseur de 3 à 6 um, pour une épitaxie de type P d'une épais- seur de l'ordre de 1 à 3 gm, et pour une tranchée allant sensi- blement jusqu'au fond de l'épitaxie de type N, la demanderesse a montré que l'on obtenait les résultats suivants: 1) pour une épitaxie de type N de 6.1015 at./cm3 et une épitaxie de type P de 5.1015 at./cm3, toutes les équipotentielles se recourbent vers la surface, y compris l'équipotentielle 800 V, avant d'atteindre la tranchée; 2) pour une épitaxie de type N de 1016 at./cm3 et une épitaxie de type P de 5.1016 at./cm3, une partie des équipo- tentielles, à partir de l'équipotentielle 600 V, atteint la tranchée; 3) pour une épitaxie de type N de 1016 at./cm3 et une épitaxie de type P de 1018 at./cm3, toutes les équipotentielles atteignent la tranchée, aucune ne remontant vers la surface. Selon la présente invention, on préfère une structure correspondant au deuxième cas. En effet, si toutes les équipoten- tielles remontent vers la surface ou si toutes les équipotentiel- les vont jusqu'à la tranchée, il faut que l'isolant déposé en surface (couramment de l'oxyde de silicium) ait une particulière- ment bonne tenue en tension, c'est-à-dire soit déposé avec des contraintes de qualité particulièrement importantes pour pouvoir résister aux champs transversaux intenses qui y sont appliqués. On peut déduire des exemples ci-dessus que pour se trouver dans ce deuxième cas, il convient que le dopage de la couche de type P soit légèrement supérieur au dopage de la couche de type N, par exemple 2 à 10 fois plus grand. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art, en particulier en ce qui concerne les dimensions des diverses couches, tant verticalement qu'horizontalement. REVENDICATIONS 1. Diode Schottky verticale comprenant une couche de carbure de silicium (12) de type N à faible niveau de dopage fornmée par épitaxie sur un substrat de carbure de silicium (11) à fort niveau de dopage, caractérisée en ce que: la périphérie de la zone active de la diode est revêtue d'une couche épitaxiée (15) de carbure de silicium de type P; une tranchée (16) traverse la couche épitaxiée de type P et pénètre dans au moins une partie de la hauteur de la couche épitaxiée de type N au-delà de la périphérie de la zone active; le niveau de dopage de la couche épitaxiée de type P est choisi pour que, pour la tension maximale que la diode est susceptible de supporter, les équipotentielles correspondant à environ 1/4 à 3/4 de la tension maximale se prolongent jusqu'à la tranchée. 2. Diode Schottky selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que le niveau de dopage de la couche épitaxiée de type P est légèrement supérieur au dopage de la couche épitaxiée de type N. 3. Diode Schottky selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la distance entre la périphérie externe de la zone active et la périphérie interne de la tranchée est de l'ordre de 30 à 60 Mm. 4. Procédé de fabrication d'une diode Schottky verti- cale sur un substrat (11) de carbure de silicium fortement dopé de type N, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes sui- vantes: former une couche épitaxiée (12) faiblement dopée de type N; former une couche épitaxiée (15) dopée de type P; creuser une tranchée périphérique (16); déposer une couche isolante (17); former une ouverture centrale traversant la couche iso- lante (17), la couche épitaxiée (15) de type P et la couche épi- taxiée (12) de type N; et déposer un métal susceptible de former une barrière Schottky avec la couche épitaxiée de type N. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le niveau de dopage de la couche épitaxiée de type P est choisi pour que, pour la tension maximale que la diode est sus- ceptible de supporter, les équipotentielles correspondant à envi- ron 1/4 à 3/4 de la tension maximale se prolongent jusqu'à la tranchée.