Brevet FR2815470A1 — publié le 20020419

PROCÉDÉ DE FABRICATION DE COMPOSANTS DE PUISSANCE VERTICAUX La présente invention concerne les composants de puissance 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 puissance vertical 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 où est effectuée une découpe par rapport à une puce voisine. 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 im. 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 leim, par exemple 125 m pour une plaquette d'une épaisseur de 210 à 240 m, de façon à s'assurer de la formation d'un mur d'isolement continu et suffisamment dopé au niveau de sa partie médiane. Ceci implique des diffusions très longues à des températures élevées, par exemple plusieurs centaines d'heures à des températures supérieures à 12500C. 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 implantations préalablement réalisées dans le substrat diffuseraient et les jonctions se dégraderaient. 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, essentiellement 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 Mm, et si la plaquette a une épaisseur de 210 im, il restera entre les deux jonctions PN 5-1 et 4-1 une zone du substrat 1 d'une épaisseur de 130 gm. Comme cela est bien connu, c'est cette zone du substrat qui permet de conférer au dispositif de puissance ses caractéristiques 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 600 volts, il suffirait que l'épaisseur de la région de substrat 1 soit de l'ordre de 80 im 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 en augmentant sa durée de diffusion entraîne que le profil de jonction de cette couche risque de ne pas satisfaire aux conditions électriques souhaitées. Un autre inconvénient de la réalisation de murs d'isolement par des diffusions profondes réside dans le fait que, en vue de dessus, les murs ont une largeur au moins deux fois égale à leur profondeur et occupent une surface de silicium importante. De façon plus générale, les mêmes problèmes se posent avec tout dispositif de puissance vertical devant être entouré d'un mur d'isolement dont la face arrière est d'un type de dopage opposé à celui d'un substrat de tenue en tension, par exemple un transistor 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 prévoit un procédé de fabrication d'un composant de puissance verti- cal sur une plaquette de silicium comprenant les étapes consistant à faire croître une couche épitaxiale faiblement dopée d'un second type de conductivité sur la surface supérieure d'un substrat 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 ; former dans le substrat les diverses couches du composant visé ; et délimiter dans la plaquette au moins une zone correspondant au moins audit composant de puissance par un mur d'isolement formé en déposant sur une face de la plaquette une région d'aluminium correspondant au contour du mur d'isolement souhaité, et en soumettant la plaquette à un gradient de température, cette plaquette étant portée à une température supérieure à la température de fusion de l'aluminium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite face est la face supérieure de la plaquette Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend en outre l'étape consistant à roder la face inférieure de la plaquette, du côté du substrat, après avoir formé le mur d'isolement par fusion de zone à gradient de température. 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 formée sur un substrat du premier type de conductivité à fort niveau de dopage, dans lequel un mur d'isolement dopé à l'aluminium est réalisé à la périphérie du composant de puissance par fusion de zones à gradient de température. 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. Conformément à l'usage dans le domaine de la représentation 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 figure 2 est une vue en coupe schématique d'un composant vertical obtenu par le procédé selon la présente invention. Ce composant est délimité par des murs d'isolement qui le séparent de composants voisins et/ou correspondent à des limites à partir desquelles le composant est découpé dans une plaquette dans laquelle on a réalisé un grand nombre de composants (généralement identiques). Selon la présente invention, pour réaliser un composant de puissance vertical, on part d'un substrat 10 d'un premier type de conductivité, par exemple, le type P, relativement fortement dopé sur lequel est formée par épitaxie une couche 11 de type opposé, par exemple 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. Ensuite, contrairement au procédé de l'art antérieur décrit en relation avec la figure 1, au lieu de former d'abord le mur d'isolement par diffusion profonde à partir des faces inférieure et supérieure, on commence par former toutes les couches constitutives du composant que l'on veut créer, et éventuellement des autres composants à former dans la même plaquette et on ne forme les murs d'isolement que dans une étape ultérieure. On notera qu'il serait impossible de former le mur d'isolement par diffusion profonde à une étape finale car cela entraînerait une rediffusion du dopant du substrat 10 dans la couche épitaxiée 11. Il en résulterait, d'une part, que l'épaisseur 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. Dans le cadre d'une application de l'invention à un thyristor, on forme le caisson 5 de type P et la région 6 de type N+ correspondant à la cathode du thyristor ainsi que les régions d'arrêt de canal 7 décrites précédemment. On peut aussi former pour améliorer la tenue en tension une zone 11 faiblement dopée de type P à la périphérie du composant, au voisinage de la région où sera formé le mur d'isolement. On a également représenté en figure 2 diverses métallisations, G correspondant à la gâchette du thyristor en contact avec la caisson 5, K correspondant à la cathode du thyristor en contact avec la région 6 fortement dopée du type N, Pl constituant une plaque de champ en contact avec la région d'arrêt de canal, et P2 constituant une plaque de champ en contact avec la région périphérique 11. Éventuellement, d'autres métallisations telle que P3 constituant des plaques de champ peuvent être utilisées. On a également représenté des régions d'oxyde 14 entre les métallisations. Ces régions 14 résultent d'une couche d'oxyde formée avant les métallisations et ouverte aux emplacements de contact souhaités. Une éventuelle couche d'encapsulation 15 en polyimide ou autre matériau de passivation recouvre la surface supérieure. Après la formation des divers éléments du composant, mais avant la réalisation des métallisations et de la couche d'encapsulation 15, la présente invention prévoit de réaliser des murs d'isolement périphériques 20 par une technique de fusion de zone à gradient de température. Cette technique consiste à former sur une face d'une plaquette de silicium des anneaux d'aluminium aux emplacements où l'on souhaite réaliser des murs traversants. La plaquette est mise dans un four conçu pour que cette plaquette soit soumise à un gradient thermique, de l'ordre de 50 à 100 C/cm, c'est-à-dire une différence de température de l'ordre de 2, 5 à 5 C pour une plaquette d'une épaisseur de l'ordre de 500 leim. Par exemple, la plaquette est chauffée d'un côté et disposée de l'autre côté en face d'un corps noir. La face chaude est portée à une température de l'ordre de 1300 C de sorte que l'aluminium se liquéfie du côté de la face"froide"et qu'une zone d'alliage AlSi traverse la plaquette sous l'effet du gradient thermique depuis la face froide vers la face chaude. A la suite de sa migration, la zone fondue d'AlSi laisse derrière elle une traînée de silicium recristallisé contenant de l'aluminium à la limite maximale de solubilité de 2. 1019 atomes/cm3. Comme ce procédé fait intervenir le phénomène de diffusion à l'état liquide la migration est extrêmement rapide. On peut par exemple traverser une plaquette de 700 im en moins de 10 minutes à 1300 C avec une différence de température inférieure à 100C entre les deux faces. Du fait de la rapidité de ce processus, les diverses jonctions formées au préalable dans le substrat, notamment la jonction entre le substrat 10 de type P+ et la couche épitaxiée 11 de type N, ne se dégradent pas et restent abruptes. De préférence, le procédé de fusion de zone à gradient de température est réalisé en déposant l'aluminium du côté de la face supérieure de la structure représentée en figure 2 puis l'aluminium est amené à diffuser vers la face inférieure qui, pendant la mise en oeuvre du procédé, sera la face chaude. On notera que la face arrière est ensuite uniformément métallisée, par exemple par une première métallisation 21 d'aluminium et une deuxième métallisation 22 de Ti/Ni/Au. Étant donné le revêtement de la face arrière par une couche d'aluminium, les inégalités d'aluminium apparaissant sur cette face à l'endroit où débouche la zone d'aluminium fondue ayant traversé la plaquette constituent un inconvénient mineur. Toutefois, comme cela est d'ailleurs classique lors de la réalisation de composants sur une plaquette épitaxiée, on pourra prévoir une étape de rodage de la face arrière de la plaquette après formation des murs d'isolement pour s'affranchir de ces inégalités. Ainsi, la présente invention permet de réaliser un composant vertical présentant une couche de tenue en tension fortement résistive (11) d'une épaisseur optimisée pour le composant visé. Selon un autre avantage de la présente invention, on notera que les murs d'isolement obtenu par le procédé décrit cidessus auront une étendue latérale beaucoup plus faible que quand ils sont réalisés à partir de diffusions profondes. 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 structure 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 souhaitée, ne dépendant pas de contraintes technologiques. Ainsi, de façon générale, la présente invention vise la séparation entre composants réalisés dans une même plaquette de silicium par des murs d'isolement dopés à l'aluminium formés par le procédé de fusion de zone à gradient de température. Le procédé décrit est particulièrement adapté à des techniques d'optimisation de la durée de vie de porteurs impliquant des diffusions d'atomes métalliques tels que de l'or. qui introduisent un niveau profond dans la bande interdite de silicium ce qui en fait des centres recombinant des porteurs minoritaires. L'or permet de diminuer la durée de vie dans la zone faiblement dopée de type N et donc d'augmenter le courant de gâchette de déclenchement du thyristor, c'est-à-dire de désensibiliser la structure. Lors d'un procédé standard, l'or est diffusé à la fin du processus donc après la diffusion profonde des murs d'isolement de type P et il a tendance à se piéger dans ces diffusions profondes du fait de leur dopage élevé et donc à déserter la zone N dans laquelle il est efficace. Avec le procédé selon l'invention, la diffusion d'or peut se faire avant la formation des murs d'isolement résultant d'une migration par gradient thermique. L'or peut donc aller dans la zone utile. Le recuit de migration thermique n'est pas assez long pour redistribuer l'or dans les zones fortement dopées. L'or reste donc dans les zones utiles. 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 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 ; former dans le substrat les diverses couches du composant visé ; et délimiter dans la plaquette au moins une zone correspondant au moins audit composant de puissance par un mur d'isolement formé en déposant sur une face de la plaquette une région d'aluminium correspondant au contour du mur d'isolement souhaité, et en soumettant la plaquette à un gradient de température, cette plaquette étant portée à une température supérieure à la température de fusion de l'aluminium. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite face est la face supérieure de la plaquette. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à roder la face inférieure de la plaquette, du côté du substrat (10), après avoir formé le mur d'isolement par fusion de zone à gradient de température. 4. Composant de puissance vertical formé sur une plaquette 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 dopé à l'aluminium est réalisé à la périphérie du composant de puissance par fusion de zones à gradient de température.