Brevet FR2924533A1 — publié le 20090605

Diode Schottky pour application forte puissance et procédé de fabrication Le domaine de l'invention est celui des diodes Schottky et plus précisément celles destinées à des applications de forte puissance. Une diode Schottky (nommée d'après le physicien allemand Walter H. Schottky) est un composant utilisant les propriétés des jonctions métal-semiconducteurs qui offrent notamment un seuil de tension directe très bas, des résistances série faibles et un temps de commutation très court. Ces trois propriétés sont directement liées au transport à porteurs majoritaires dans ce type de dispositif. Elles conduisent à l'utiliser pour les applications de commutation de puissance où les rendements électriques constituent un enjeu important. De manière générale, une diode Schottky utilise une jonction métal-semiconducteur (au lieu d'une jonction p-n comme les diodes conventionnelles). Alors que les diodes standard en silicium ont une tension de seuil d'environ 0.6 volt, les diodes Schottky ont une tension de seuil (pour une polarisation directe d'environ 1 mA) dans la gamme de 0.15V à 0.45 V, ce qui les rend utiles en limitation de tension et en prévention de saturation des transistors. La figure 1 illustre un premier exemple de diode Schottky selon l'art connu comportant l'empilement de couches suivant : - une couche active 1 en matériau semiconducteur GaN de type N par exemple, où le champ électrique s'étend ; - une couche de contact 2, fortement conductrice électriquement ; une couche de nucléation 3, pour accommoder l'hétérogénéité des matériaux ; un substrat 4, servant de support au matériau semiconducteur GaN par exemple ; une couche 5 de contact métallique, appelé contact Schottky ; une couche surfacique 6, légèrement dopée de type P, ou incorporant des défauts électriques profonds pouvant agir de façon équivalente, et qui joue une fonction d'anneau de garde limitant l'extension latérale du champ ; - une couche 7 de passivation diélectrique ; une structure de mesa 8 ; -une couche 9 de contact ohmique au niveau de la couche conductrice. Actuellement, les diodes Schottky en cours de développement à base de matériaux à grande bande interdite reposent sur l'utilisation de substrats souvent hétérogènes, ce qui impose l'utilisation de couches de nucléation telle que la couche 3. Cette couche permet d'initier la croissance de matériaux à base de nitrure de gallium. Elle est souvent fortement perturbée et entraîne la présence de défauts cristallins dégradant localement la conductivité électrique et thermique du matériau semiconducteur. Cette perturbation peut être suffisamment forte pour empêcher l'écoulement du courant entre les couches 3 et 4. Afin de s'affranchir de cette zone défectueuse, le contact ohmique 9 peut être réalisé sur la face supérieure du dispositif après la gravure d'un mesa 8. La réalisation du contact ohmique nécessite l'utilisation de recuits thermiques haute température afin d'assurer une résistance de contact satisfaisante. Pour permettre des tensions de fonctionnement dépassant les 600V, il est nécessaire d'utiliser des couches épaisses pouvant atteindre la dizaine de microns. La gravure d'une telle épaisseur est critique du fait de la grande stabilité physicochimique des matériaux de grande bande interdite. Par ailleurs, la mobilité électronique de ces matériaux n'étant pas excellente (plutôt dans la gamme des 300 V/cm2s2), il est difficile de réaliser des couches de contact 2 présentant des résistances superficielles largement inférieures à 100 ohms par carré. Pour atteindre des résistances série les plus faibles possibles (pour le moins largement inférieures à un ohm), il est alors nécessaire d'interdigiter des diodes élémentaires avec des mesa de l'ordre du pour cent de carré, c'est-à-dire des facteurs difficiles à réaliser et entraînant une chute de la densité de la zone active utile par rapport à la surface de la diode totale. On peut noter de plus que la couche de passivation 7 est d'autant plus critique qu'elle doit être compatible de tensions de polarisation de 600V situées entre des électrodes rapprochées. Afin de simplifier la structure et d'améliorer les performances des 35 diodes Schottky, une solution consiste à assurer un via-trou au niveau de la face arrière recouverte d'une couche de contact ohmique comme illustré en figure 2, permettant de contacter la couche active directement après la prise de contact ohmique précédée de la gravure de la couche de nucléation . Selon cette variante, il est proposé l'empilement de couches suivant : -une couche active 10 en matériau semiconducteur GaN de type N par exemple, où le champ électrique s'étend ; - une couche de contact 20 fortement conductrice électriquement ; - une couche de nucléation 30 pour accommoder l'hétérogénéité des matériaux ; - un substrat 40 servant de support au matériau semiconducteur GaN par exemple ; - une couche métallique 50 de contact Schottky ; - une couche surfacique 60 légèrement dopée de type P, ou incorporant des défauts électriques profonds pouvant agir de façon équivalente, et qui joue la fonction d'anneau de garde limitant l'extension latérale du champ ; - une couche 70 de passivation diélectrique ; - une couche 80 de contact ohmique; - un via trou 90 ; - une métallisation 100 permettant la continuité face avant-face arrière. La couche de nucléation accompagnée d'un réseau d'adaptation permet d'accommoder les différences de mailles cristallines et de dilatation thermique qui constituent des zones de dégradation des performances électriques (qualité de la jonction Schottky) et une augmentation importante des résistances série. Cette approche permet l'utilisation d'une structure verticale qui simplifie la mise en oeuvre des composants qui sont simplement mis en boîtier en collant ou brasant la face arrière et en contactant par thermocompression l'électrode - servant de contact Schottky 50. Les électrodes sont donc séparées spatialement simplifiant l'isolation électrique et les résistances peuvent être acceptables. Du fait des dimensions des diodes Schottky pour application de puissance (de l'ordre du mm2 voire au-delà), la structure membranaire du dispositif risque de poser des problèmes de délamination du fait des contraintes thermomécaniques intrinsèques à de nombreux matériaux grand gap, et de dérive des composants du fait des phénomènes de piézoélectricité importants présents. Une solution peut consister à réaliser des via-trous comportant des structures alvéolaires permettant de rigidifier le dispositif comme illustré en figure 3 montrant une vue de dessous des contacts ohmiques 80 présents en fond de via-trous. Cependant du fait des mobilités électroniques faibles, une estimation rapide montre que seules les zones situées directement sur les contacts ohmiques contribuent dans ce cas, à l'écoulement des charges. Aucun étalement latéral du courant autour des alvéoles des via-trous ne peut être attendu. En conséquence les cloisons des alvéoles sont à l'origine d'une chute de la densité de la zone active effective par rapport à la taille totale de la puce. o Du fait de l'épaisseur des substrats, la taille typique d'une alvéole ne peut être largement inférieure à une centaine de microns. Les cloisons des alvéoles sont aussi du même ordre de grandeur. o Du fait de l'utilisation de fils thermocompressés ou de procédés équivalents, les alvéoles doivent être renforcées, ou une zone de déport permettant la pression de l'outillage doit être assurée. Dans les deux cas, cela amplifie la perte de matériaux électriquement actifs. La formation des contacts ohmiques en face arrière nécessite de plus pour les matériaux de grande bande interdite, des recuits de formation de l'ordre de 900°C, dangereux pour la pérennité de structures membranaires même renforcées d'alvéoles. Dans ce contexte et destinée à des applications de fortes 30 puissances, la présente invention propose un nouveau type de diode Schottky à structure dite inversée. Plus précisément l'invention a pour objet une diode de type Schottky comportant un substrat, une couche active en matériau 35 semiconducteur, une couche de contact dite Schottky, une couche conductrice de contact ohmique, ledit substrat comportant en outre au moins un via-trou de manière à définir une membrane au dessus dudit via-trou présentant une face dite inférieùre au niveau du substrat et une face dite supérieure éloignée du substrat, caractérisée en ce que la membrane comprend au moins l'empilement de couches suivant à partir de la face dite inférieure : - la couche de contact dite Schottky ; - la couche de matériau semiconducteur ; - la couche de contact ohmique étant au niveau de la face supérieure de ladite membrane. Selon une variante de l'invention, la diode comporte en outre une couche de nucléation de part et d'autre du via-trou, ladite couche de nucléation étant insérée entre le substrat et la couche active en matériau semiconducteur. Selon une variante de-l'invention, la diode comporte en outre une couche dite d'anneau de garde permettant de limiter l'extension latérale du champ électrique, ladite couche d'anneau de garde étant évidée en regard du via-trou. Selon une variante de l'invention, la couche de contact Schottky est intégrée dans la couche évidée d'anneau de garde. Selon une variante de l'invention, la diode comprend en outre une couche de contact en matériau semiconducteur dopée assurant l'interface entre la couche active de matériau semiconducteur et la couche de contact ohmique. L'invention a aussi pour objet un composant électronique comportant une diode Schottky selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier possédant une cavité, la diode Schottky étant reportée à l'intérieur de la cavité du boîtier, la face dite supérieure de ladite diode étant en contact avec la cavité du boîtier. Avantageusement, le contact avec la cavité du boîtier peut être assuré par une brasure ou par une couche de colle conductrice. Avantageusement, le composant comprend en outre au moins une connexion filaire reliant le contact Schottky à l'extérieur dudit composant. II est à noter que le composant de l'invention comprend en outre la possibilité de supporter la pression mécanique lors du montage de cette connexion filaire. 6 L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication de diode Schottky selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - la réalisation d'un empilement sur un substrat, d'un ensemble de couches comportant au moins : i. une couche dite d'anneau de garde ; ii. une couche active en matériau semiconducteur ; iii. une couche de contact ohmique ; - la réalisation d'au moins un via-trou en face inférieure du substrat et au niveau de la couche d'anneau de garde permettant d'évider aussi ladite couche ; - la réalisation d'une couche de contact Schottky au niveau du via-trou, intégrée dans la couche d'anneau de garde évidée. Selon une variante de l'invention, le procédé comprend en outre le dépôt d'une couche conductrice en face inférieure du via-trou après réalisation de la couche de contact Schottky, pouvant être de même type que celui de la couche de contact ohmique. Avantageusement, le procédé comprend en outre le dépôt d'une 20 couche semiconductrice dopée assurant l'interface entre la couche active de matériau semiconducteur et la couche de contact ohmique. Avantageusement, selon le procédé de l'invention, la réalisation de l'empilement sur le substrat d'un ensemble de couches comporte en outre le dépôt d'une couche de nucléation, la réalisation du via-trou étant effectuée 25 jusque dans ladite couche de nucléation. Selon une variante de l'invention, l'étape de réalisation de via-trou est effectuée par une attaque chimique humide, notamment si le substrat est en silicium ou autre matériau aisément gravable. Les attaques en phase liquide présentent l'avantage d'un coût faible, mais n'est possible que si les 30 dimensions latérales du via-trous sont supérieures à 100pm. Dans le cas du silicium, des solutions chimiques d'Alcalin-OH (KOH, NaOH), ethylène diamine pyrochatecol (EDP) ou du tetramethylamonium hydroxide (TMAH) peuvent être utilisées. Ainsi, le procédé de ,fabrication de diode Schottky grâce à la 35 structure inversée permet de simplifier les problèmes de passivation des 7 surfaces libres du fait de l'absence de mesas à proximité des contacts métalliques. Par ailleurs, avec le procédé de fabrication de diode Schottky de l'invention, il est possible de situer le contact Schottky si nécessaire dans un système alvéolaire permettant d'améliorer la rigidité mécanique du composant lors des opérations de découpe et report. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non 10 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre un premier exemple de diode Schottky selon l'art connu ; - la figure 2 illustre un seconde exemple de diode Schottky selon l'art connu ; 15 la figure 3 illustre une vue de dessous d'une diode Schottky comportant des via-trous alvéolaires ; les figures 4a à 4c illustrent les étapes de procédé de fabrication d'un exemple de diode Schottky inversée verticale selon l'invention ; 20 - la figure 5 illustre un exemple de composant électronique comportant un boîtier et une diode Schottky selon l'invention. La structure de diode Schottky selon l'invention comprend de manière générale une structure épitaxiale inversée, c'est-à-dire la couche de 25 contact ohmique est située en surface au niveau d'une face dénommée face supérieure et la zone de prise de contact Schottky au niveau d'une face dite inférieure, proche du substrat. Nous allons décrire ci-après les étapes d'un procédé de fabrication d'une diode Schottky selon l'invention. 30 Comme illustré en figure 4a, on réalise à la surface d'un substrat 24, l'empilement de couches suivant : une couche 23 de nucléation permettant d'accommoder l'hétérogénéité des matériaux ; - une couche 22 pouvant être légèrement dopée de type P ou 35 incorporant des défauts électriques profonds et destinée à 8 servir d'anneau de garde pour limiter l'extension latérale du champ électrique; - une couche active 21 de matériau semiconducteur de type GaN dopée N par exemple ; une couche 26 conductrice par exemple en matériau semiconducteur dopée N+, pouvant être obtenue par implantation ionique ou épitaxiée ; A partir de cet empilement, on vient réaliser en face inférieure (côté substrat), un via trou 28 s'étendant jusqu'à la couche active 21 et dégageant par la même également une partie de la couche 22. On procède alors dans ce via-trou au dépôt d'une couche 27 servant de contact dit Schottky, comme illustré en figure 4b. On vient enfin procéder à la réalisation d'un dépôt de couche conductrice de contact ohmique en face dite supérieure 25 et en face inférieure 29, ce dernier permettant d'assurer la continuité face avant-face arrière. On obtient ainsi la structure de diode Schottky selon l'invention, illustrée en figure 4c, constituée de l'empilement de couches suivant : - une couche active 21 en matériau semiconducteur GaN de type 20 N par exemple, où le champ électrique s'étend ; une couche 22 d'anneau de garde du type opposé à celui de la couche 21 ; - une couche 23 de nucléation pour accommoder l'hétérogénéité des matériaux ; 25 - un substrat 24 servant de support au matériau semiconducteur GaN par exemple ; une couche métallique 25 de contact ohmique ; - une couche 26 N+ de contact obtenue par implantation ionique ou épitaxie ; 30 - une couche 27 de contact de type contact Schottky ; - un viatrou28; - une couche 29 de métallisation permettant la continuité face avant-face arrière. Selon la structure de diode de l'invention, la réalisation des contacts ohmiques peut être réalisée soit par la prise de contacts alliés (Ti/AI, Ti/Al/Ni/Au par exemple pour le GaN), soit par implantation ionique localisée ou non de dopant de type N permettant l'utilisation de contacts ohmiques réfractaires ou à tout le moins non-alliés, réalisable en pulvérisation cathodique. Cette étape étant réalisée en début de process, le budget thermique est grandement étendu du fait de la rigidité mécanique offerte par le substrat qui est ainsi totalement préservé. La structure étant inversée, la mise en boîtier du dispositif peut ainsi être réalisée en montant la puce à l'envers comparé à l'état de l'art classique, à savoir la face avant en contact avec le fond de boîtier. Cette électrode étant totalement planaire, le contact électrique et thermique est nettement plus satisfaisant. Grâce à cette configuration, la thermique du substrat 24 n'est plus un obstacle majeur, la zone de dissipation étant au plus près du drain thermique que constitue le boîtier ce qui constitue un net avantage sur la performance et le coût. Par exemple le substrat silicium de moindre conductivité thermique que d'autres matériaux tels que le carbure de silicium donne des températures de fonctionnement comparables. La structure inversée évite la réalisation d'une mesa. Cela permet de limiter fortement la contribution des surfaces libres et diminue drastiquement l'impact de la passivation. Lors de la connexion par thermocompression ou équivalent de la diode Schottky proprement dite, l'outil appuie sur une structure qui est totalement en contact avec le fond de boîtier et donc rigidifiée. Le montage à l'envers permet donc de rendre le dispositif nettement plus robuste et donc de simplifier les zones nécessaires à la thermocompression (impact sur le coût important). L'outil peut être appliqué directement en fond de via-trou, si le dépôt métallique face arrière assure un effet d'absorption des contraintes suffisant. Une couche métallique relativement fine telle que l'or ou le cuivre déposé par procédés électrochimiques d'une dizaine de microns sont déjà suffisantes pour assurer ce rôle. Ceci a aussi un impact direct sur le coût des dispositifs. 10 Le contact Schottky situé en fond de via-trou présente l'avantage de ne pas recourir à des températures de formation élevées. Les expériences montrent que des températures n'excédant jamais 400°C sont suffisantes, à comparer à des températures pouvant dépasser 900°C pour 5 des contacts ohmiques. Dans le cas où les dimensions des diodes est trop importante pour permettre de s'affranchir d'une structure alvéolaire améliorant la résistance mécanique de la membrane, le contact ohmique 25 présent de façon homogène en tout point du dispositif relaxe l'acuité des résistances série. 10 Cela permet donc de relaxer largement la périodicité de la structure alvéolaire, et donc d'augmenter la densité des dispositifs. Le relâchement de la périodicité des via-trous permet d'envisager de ne pas amincir le substrat pour creuser les via-trous, tout en assurant des temps de gravure court en utilisant des gravures humides économiques. 15 La jonction Schottky est formée après la gravure de la couche de nucléation, et suffisamment profondément dans la couche semiconductrice active 21 pour permettre la réalisation d'une jonction dans un matériau semiconducteur de qualité cristalline suffisante. La présence de sélectivité de gravure importante entre les 20 substrats et les couches épitaxiales permettent l'obtention de diodes Schottky de qualité adéquate. La structure verticale permet également de séparer spatialement les électrodes et limiter l'impact des phénomènes de génération-recombinaison aux surfaces. 25 La diode Schottky selon l'invention peut avantageusement être reportée en fond de boîtier comme évoqué précédemment et comme illustré en figure 5 qui montre un composant électronique équipé d'un boîtier comportant une cavité dans laquelle est reportée la diode Schottky de 3o l'invention. La diode est ainsi montée à l'envers dans le boîtier. Une brasure ou une couche de colle 32 assure le report de la diode sur le fond de boîtier 33. Une prise de contact filaire 31 peut être assurée en fond de via-trous comme représenté sur la figure 5. Elle pourrait tout aussi bien être mise sur des plots dédiés. REVENDICATIONS 1. Diode de type Schottky comportant un substrat (24), une couche active (21) en matériau semiconducteur, une couche de contact dit Schottky (27), une couche conductrice de contact ohmique (25), ledit substrat comportant en outre au moins un via-trou (28) de manière à définir une membrane au dessus dudit 'via-trou présentant une face dite inférieure au niveau du substrat et une face dite supérieure éloignée du substrat, caractérisée en ce que la membrane comprend au moins l'empilement de couches suivant à partir de la face dite inférieure : - la couche de contact dite Schottky ; - la couche de matériau semiconducteur ; - la couche de contact ohmique étant au niveau de la face supérieure de ladite membrane. 2. Diode de type Schottky selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une couche de nucléation (23) de part et d'autre du via-trou, ladite couche de nucléation étant insérée entre le substrat et la couche active en matériau semiconducteur. 3. Diode de type Schottky selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une couche dite d'anneau de garde (22) permettant de limiter l'extension latérale du champ électrique, ladite couche d'anneau de garde étant évidée en regard du via-trou. Cette couche est du type électrique opposé à celui de la couche 21, soit en recourrant à un dopage intentionnel, soit en optimisant les conditions de croissance et de composition de cette zone afin de créer des niveaux électriques profonds agissant comme un dopage adéquat. 4. Diode de type Schottky selon la revendication 3, caractérisée en ce que la couche de contact Schottky est intégrée dans la couche 30 d'anneau de garde. 5. Diode de type Schottky selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une couche (26) de contact en matériau semiconducteur dopée assurant l'interface entre la couche active (21) de matériau semiconducteur et la couche de contact ohmique (25). 6. Composant électronique comportant une diode Schottky selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier possédant une cavité, la diode Schottky étant reportée à l'intérieur de la cavité du boîtier, la face dite supérieure de ladite diode étant en contact avec la cavité du boîtier. 7. Composant électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une brasure pour assurer le contact entre la cavité du boîtier et la diode Schottky. 8. Composant électronique selon la revendication 6, caractérisé 15 en ce qu'il comprend une couche de colle conductrice pour assurer le contact entre la cavité du boîtier et la diode Schottky. 9. Composant électronique selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend moins une connexion filaire reliant le 20 contact Schottky à l'extérieur dudit composant. 10. Procédé de fabrication de diode Schottky selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - la réalisation d'un empilement sur un substrat d'un ensemble 25 de couches comportant au moins : i. une couche dite d'anneau de garde (22) ; ii. une couche active (21) en matériau semiconducteur ; iii. une couche de contact ohmique (26) ; - la réalisation d'au moins un via-trou en face inférieure du 30 substrat et au niveau de la couche d'anneau de garde permettant d'évider aussi ladite couche ; - la réalisation d'une couche de contact Schottky (27) au niveau du via-trou, intégréè dans la couche d'anneau de garde évidée.13 11. Procédé de fabrication de diode Schottky selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le dépôt d'une couche conductrice (29) en face inférieure du via-trou après réalisation de la couche de contact Schottky, pouvant être de même type que celui de la 5 couche de contact ohmique (25). 12. Procédé de fabrication de diode Schottky selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le dépôt d'une couche semiconductrice 'dopée (26) assurant l'interface entre la 10 couche active (21) de matériau semiconducteur et la couche de contact ohmique (25). 13. Procédé de fabrication de diode Schottky selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé que la réalisation de l'empilement sur le 15 substrat d'un ensemble de couches comporte en outre le dépôt d'une couche de nucléation (23) et que la réalisation du via-trou est effectuée jusque dans ladite couche de nucléation. 14. Procédé de fabrication de diode Schottky selon l'une des 20 revendications 10 à 13, caractérisé que l'étape de réalisation de via- trou peut être effectuée par une attaque chimique humide.