Brevet FR2800515A1 — publié le 20010504

PROCEDÉ DE FABRICATION DE COMPOSANTS DE PUISSANCE VERTICAUX La présente invention concerne les composants de puis- sance de type vertical susceptibles de supporter des tensions élevées. La figure 1 est une vue en coupe très schématique et partielle illustrant l'allure générale d'un composant de puis- sance classique. Ce composant est formé dans une plaquette de silicium de grande dimension et est entouré à sa périphérie externe d'un mur d'isolement du type de conductivité opposé à celui du substrat. Ce mur d'isolement est destiné à séparer le composant d'autres composants de la même puce, ou à créer une zone de protection électriquement inactive à la frontière d'une puce, là o est effectuée une découpe par rapport à une puce voi- sine. Plus particulièrement, si l'on considère la figure 1, en partant d'un substrat 1 de type N, une première opération de fabrication consiste à former à partir des faces supérieure et inférieure de ce substrat des régions de diffusion profondes 2 et 3 qui se rejoignent pour former le mur d'isolement. Pour des raisons pratiques, les plaquettes ne peuvent pas avoir des épaisseurs inférieures à 200 gm. En dessous de ce seuil, elles seraient susceptibles de se briser trop facilement lors des manipulations liées à la fabrication. Ainsi, chacune des diffusions 2 et 3 doit pénétrer dans la plaquette d'une centaine de pm, par exemple 125 im pour une plaquette d'une épaisseur de 210 à 240 pm, de façon à s'assurer de la formation d'un mur d'isolement continu et suffisanmment dopé au niveau de sa partie médiane. Ceci implique des diffusions très longues à des tempéra- tures élevées, par exemple 300 heures à 1280 C. Il est clair que cette opération doit être réalisée sur une plaquette de silicium avant toute autre opération de dopage de cette plaquette. Sinon, pendant cette longue durée de traitement thermique, les implanta- tions préalablement réalisées dans le substrat diffuseraient trop profondément. Après formation des murs d'isolement, on forme des régions dopées destinées à former le composant vertical souhaité, par exemple, comme cela est représenté en figure 1, un thyristor. Pour cela, on pourra réaliser simultanément, sur toute la face inférieure du substrat, une région 4 de type P correspondant à l'anode du thyristor et, sur une partie de la face supérieure du substrat, une région 5 de type P correspondant à la région de gâchette de cathode de ce thyristor. Ensuite, du côté de la face supérieure, on réalise une diffusion N+ pour former dans la région 5 une région de cathode 6 et éventuellement entre la région 5 et le mur d'isolement 2 un anneau périphérique 7 d'arrêt de canal. Comme on l'a vu précédemment, l'épaisseur totale de la plaquette est fixée par des considérations de fabrication, essen- tiellement mécaniques. Par ailleurs, les caractéristiques des régions de type P 4 et 5 sont fixées par les caractéristiques électriques souhaitées du thyristor qui déterminent le niveau de dopage et la profondeur de diffusion. En effet, on souhaite par exemple que le front de dopage entre chacune des régions 4 et 5 et le substrat 1 soit suffisamment raide pour améliorer les caractéristiques des jonctions correspondantes, et notamment pour obtenir une bonne caractéristique d'injection du transistor PNP au niveau de la jonction entre le substrat 1 et la région 4. Ainsi, dans le cas du thyristor représenté, si chacune des diffusions 4 et 5 a une profondeur de l'ordre de 40 Àm, et si la plaquette a une épaisseur de 210 pm, il restera entre les deux jonctions PN 5-1 et 4-1 une zone du substrat 1 d'une épaisseur de Mm. Comme cela est bien connu, c'est cette zone du substrat qui permet de conférer au dispositif de puissance ses caractéris- tiques de tenue en tension à l'état bloqué. Il faut donc que cette zone soit suffisamment épaisse. Par contre, le fait que cette zone soit trop épaisse entraîne que les pertes à l'état conducteur du dispositif de puissance augmentent. Si l'on veut réaliser un dispositif de puissance ayant une tenue en tension de l'ordre de 400 volts, il suffirait que l'épaisseur de la région de substrat 1 soit de l'ordre de 80 gm alors que, avec le procédé de fabrication décrit, on arrive inévitablement à une épaisseur de l'ordre de 130 gm. On ne connaît pas actuellement de façon simple de résoudre ce problème. En effet, augmenter par exemple l'épaisseur de la couche 4 entraîne que le profil de jonction de cette couche risque de ne pas satisfaire aux conditions électri- ques souhaitées. De façon plus générale, le même problème se pose avec tout dispositif de puissance devant être entouré d'un mur d'iso- lement dont la face arrière est d'un type de dopage opposé à celui d'un substrat de tenue en tension, par exemple un transis- tor de puissance ou un transistor IGBT. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un nouveau procédé de fabrication de composants de puissance destiné à optimiser l'épaisseur de la couche la plus faiblement dopée de tenue en tension. La présente invention vise aussi un composant obtenu par le procédé décrit. Pour atteindre ces objets, la présente invention pré- voit un procédé de fabrication d'un composant de puissance verti- cal sur une plaquette de silicium comprenant les étapes consis- tant à faire croître une couche épitaxiale faiblement dopée d'un second type de conductivité sur la surface supérieure d'un subs- trat fortement dopé du premier type de conductivité, la couche épitaxiale ayant une épaisseur adaptée à supporter la tension maximale susceptible d'être appliquée au composant de puissance lors de son fonctionnement; et délimiter dans la plaquette une zone correspondant à au moins un composant de puissance par un mur d'isolement formé en perçant une tranchée à travers la couche épitaxiale et en faisant diffuser à partir de cette tranchée un dopant du premier type de conductivité à fort niveau de dopage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la tranchée est constituée d'ouvertures voisines suffisanmmnent proches pour que les zones résultant de la diffusion du dopant du premier type de conductivité à fort niveau de dopage se rejoi- gnent. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la tranchée est remplie de silicium polycristallin fortement dopé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, des murs d'isolement parallèles sont formés de part et d'autre de chaque zone de découpe des puces d'une même plaquette. La présente invention prévoit aussi un composant de puissance vertical formé sur une plaquette de silicium comprenant une couche épitaxiale du deuxième type de conductivité à faible niveau de dopage forumée sur un substrat du premier type de conduc- tivité à fort niveau de dopage, dans lequel un mur d'isolement à la périphérie du composant de puissance est réalisé à partir d'une tranchée ou de perçages formés à travers la couche épi- taxiale et de régions diffusées s'étendant à partir de ladite tranchée ou desdits perçages. 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 schématique d'un compo- sant de puissance vertical de structure classique; et la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un composant de puissance vertical obtenu par le procédé selon la présente invention. Selon la présente invention, pour réaliser un composant de puissance, on part d'un substrat 10 de type P relativement fortement dopé sur lequel est formée par épitaxie une couche 11 de type N faiblement dopée destinée à constituer la couche de tenue en tension d'un composant de puissance vertical dont le substrat P constitue l'anode de face inférieure. Ensuite, pour réaliser un mur d'isolement, la présente invention prévoit de former une tranchée 13 traversant sensiblement l'épaisseur de la couche épitaxiale 11 et entourant le composant puis de faire diffuser un dopant 14 à partir de cette tranchée. Par exemple, la tranchée sera remplie de silicium polycristallin fortement dopé de type P et une étape de diffusion thermique sera effectuée. La durée nécessaire à la diffusion sera extrêmement courte par rapport à la durée nécessitée par les étapes de diffusion profonde verticale des murs d'isolement décrits en relation avec la figure 1. Selon une variante de la présente invention, la tran- chée est remplacée par des ouvertures suffisamment proches les unes des autres pour que les zones diffusées 14 s'étendant laté- ralement à partir de ces ouvertures se rejoignent et constituent le mur d'isolement. Les ouvertures peuvent par exemple avoir un diamètre de l'ordre de 1 à 5 ym et être distantes les unes des autres de 2 à 10 am. On notera qu'un procédé de diffusion profonde à partir de la surface supérieure pour former des murs d'isolement ne serait pas compatible avec l'existence d'un substrat épitaxié car cela entraînerait une rediffusion du dopant du substrat 10 dans la couche épitaxiée 11 qui entraînerait d'une part que l'épais- seur restante de la couche N serait mal déterminée et d'autre part que le front de la jonction entre la couche épitaxiale 11 de type N et le substrat 10 de type P serait très peu raide et donc que cette jonction présenterait de mauvaises caractéristiques d'injection. Ensuite, on formera de façon classique des diffusions destinées à former un composant souhaité, par exemple une diffu- sion 5 de gâchette de cathode et des diffusions 6 et 7 de cathode et d'anneau d'arrêt de canal. De préférence, pour améliorer la qualité du mur d'isolement, en même temps que l'on forme la diffusion 5 de type P, on pourra procéder à une diffusion dans des zones 16 correspondant à la partie haute du mur d'isolement, pour augmenter le niveau de dopage à la surface supérieure du mur d'isolement. En outre, on a représenté en figure 2 à titre d'exemple un deuxième mur d'isolement 17 externe au premier. Une découpe pourra être effectuée entre les deux murs d'isolement distants par exemple de 100 pm pour séparer deux puces d'une plaquette. Selon un autre avantage de la présente invention, on notera que les murs d'isolement, dans les figures schématiques ci-jointes auront une étendue latérale beaucoup plus faible quand ils sont réalisés à partir de tranchées ou de perçages plutôt que de diffusions profondes. Diverses variantes de perçages et de modes de réalisa- tion des murs d'isolement apparaîtront à l'homme de l'art et certaines d'entre elles sont déjà connues dans la technique et par exemple décrites dans la demande de brevet français de la demanderesse NO 98/14918 du 24.11.1998. En outre, on a représenté à titre d'exemple et par souci de simplification un thyristor en figures 1 et 2. Bien entendu, l'invention s'appliquera également à toute autre struc- ture de composant de puissance de type vertical dont la face arrière est de type opposé à celui d'une couche de tenue en tension et notamment à des structures de type transistors de puissance et transistors bipolaires à grille isolée (IGBT). Dans de telles structures, la présente invention permet d'obtenir une couche de tenue en tension ayant exactement l'épaisseur souhai- tée, ne dépendant pas de contraintes technologiques. La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Par exemple, on pourra prévoir une étape de rodage de la face arrière des plaquettes après formation de la couche épitaxiée du5 côté de la face avant. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un composant de puissance vertical sur une plaquette de silicium comprenant les étapes suivantes: faire croître une couche épitaxiale faiblement dopée (11) d'un second type de conductivité sur la surface supérieure d'un substrat (10) fortement dopé du premier type de conducti- vité, la couche épitaxiale ayant une épaisseur adaptée à suppor- ter la tension maximale susceptible d'être appliquée au composant de puissance lors de son fonctionnement; et délimiter dans la plaquette une zone correspondant à au moins un composant de puissance par un mur d'isolement formé en perçant une tranchée à travers la couche épitaxiale et en faisant diffuser à partir de cette tranchée un dopant du premier type de conductivité à fort niveau de dopage (14). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tranchée est constituée d'ouvertures voisines (13) suffi- samment proches pour que les zones résultant de la diffusion du dopant du premier type de conductivité à fort niveau de dopage se rejoignent. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la tranchée est remplie de silicium polycristallin fortement dopé. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que des murs d'isolement parallèles sont formés de part et d'autre de zones de découpe entre puces d'une même plaquette. 5. Composant de puissance vertical formé sur une pla- quette de silicium comprenant une couche épitaxiale (11) du deuxième type de conductivité à faible niveau de dopage formée sur un substrat (10) du premier type de conductivité à fort niveau de dopage, dans lequel un mur d'isolement à la périphérie du composant de puissance est réalisé à partir d'une tranchée ou de perçages formés à travers la couche épitaxiale et de régions diffusées (14) s'étendant à partir de ladite tranchée ou desdits perçages.