FR2814855A1 - Jonction schottky a barriere stable sur carbure de silicium - Google Patents

Jonction schottky a barriere stable sur carbure de silicium Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une jonction Schottky présentant une hauteur de barrière en direct stable de l'ordre de 0, 8 à 1 volt sur une couche de carbure de silicium, comprenant sur la couche de carbure de silicium une couche d'un nitrure métallique.

Description

<Desc/Clms Page number 1>
JONCTION SOTTKY À BARRIÈRE STABLE SUR CARBURE DE SILICIUM
Figure img00010001

La présente invention concerne le domaine des composants semiconducteurs formés à partir d'un substrat de carbure de silicium.
Elle vise plus précisément la réalisation sur un substrat de carbure de silicium d'une jonction Schottky dont la hauteur de barrière en direct est stable et est égale ou inférieure à environ 1 volt.
Dans le domaine des composants semiconducteurs, le matériau principalement utilisé à l'heure actuelle est le silicium. Pour supporter des 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.
Sur un substrat de silicium, les diodes Schottky sont généralement réalisées à partir de siliciure d'un métal tel que le titane, le tungstène, le platine, le nickel, le tantale, le molybdène, etc. Elles ont des tensions de claquage en inverse plus ou moins élevées et des chutes de tension en direct (barrière Schottky) de l'ordre du volt. Les diodes de plus faible barrière Schottky ne sont pas utilisables car elles présentent un courant inverse trop important.
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Figure img00020001
La réalisation d'une jonction Schottky est classiquement effectuée sur substrat de silicium de la façon illustrée en figures lA et 1B.
Dans une première étape illustrée en figure lA, on dépose sur un substrat de silicium 1 une couche métallique 2, par exemple une couche de titane.
Ensuite, comme l'illustre la figure lB, on réalise un recuit de sorte qu'il se forme une couche de siliciure du métal concerné, en l'espèce un siliciure de titane TiSi, à l'interface entre le substrat de silicium et la couche de titane. L'expérience montre que, sur un substrat de silicium, on obtient une jonction Schottky dont les caractéristiques et notamment la hauteur de barrière en direct sont stables dans le temps, au moins pour autant que l'on ne dépasse pas la température de recuit qui a permis la formation de la couche de siliciure métallique.
Naturellement, quand on a voulu fabriquer des diodes Schottky sur des substrats de carbure de silicium, on a essayé d'utiliser les mêmes techniques que celles utilisées sur substrat de silicium. Néanmoins, les expériences effectuées par la demanderesse ont montré, en particulier pour le titane susceptible de donner une hauteur de barrière Schottky comprise entre sensiblement 0,8 et 1 volt, que les caractéristiques de la jonction Schottky obtenues n'étaient pas stables après recuit, qu'elles étaient susceptibles d'évoluer dans le temps et que l'on observait éventuellement des inhomogénéités de barrière caractérisées par un effet de double barrière (présence d'un premier et d'un deuxième palier de chute de tension en direct en fonction du courant).
De façon générale, on a observé avec les divers métaux classiquement utilisés sur du silicium, des hauteurs de barrière supérieures à 1 volt après recuit. De plus ce niveau dépendait du recuit et était susceptible de varier dans le temps. Rappelons que, sur du silicium, on obtient des hauteurs de barrière stables de l'ordre de 0,58 volt avec du siliciure de titane, de 0,83 volt
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Figure img00030001

avec du siliciure de platine, de 0, 66 volt avec du siliciure de nickel.
Ainsi, la présente invention vise à réaliser des diodes Schottky présentant une barrière de potentiel en direct de l'ordre du volt ou éventuellement légèrement inférieure à cette valeur.
Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit une jonction Schottky présentant une hauteur de barrière en direct stable de l'ordre de 0,8 à 1 volt sur une couche de carbure de silicium, comprenant, sur la couche de carbure de silicium, une couche d'un nitrure métallique.
Figure img00030002
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le nitrure métallique est un nitrure de métal réfractaire.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le nitrure métallique est choisi dans le groupe comprenant Ti, W, Zr, Ta.
Un procédé de formation d'une jonction Schottky sur du carbure de silicium selon un mode de réalisation de la présente invention comprend les étapes consistant à déposer une couche
Figure img00030003

d'un nitrure métallique ; et procéder à un recuit de 700 à 900OC.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dépôt de nitrure métallique est réalisé par pulvérisation réactive d'une cible de titane dans une ambiance d'azote.
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 : les figures 1A et 1B illustrent un procédé classique de formation d'une jonction Schottky sur un substrat de silicium ; la figure 2 représente une structure de jonction Schottky sur un substrat de carbure de silicium selon la présente invention ; et la figure 3 représente un exemple de diode Schottky utilisant la présente invention.
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Figure img00040001

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 figure 2 illustre une jonction Schottky selon la présente invention. Elle comprend sur un substrat 5 de SiC, une couche 6 d'un nitrure métallique, par exemple, un nitrure de titane. On pourra utiliser un nitrure, quand il existe, de tout métal connu pour former une jonction Schottky sur du silicium, par exemple du titane, du tungstène, du zirconium, du tantale...
Un dépôt de TiN est réalisé par exemple par pulvérisation réactive, c'est-à-dire par pulvérisation d'une cible de titane dans une ambiance d'azote, de l'argon étant utilisé comme gaz de pulvérisation de la cible. Cette étape de dépôt est suivie d'un recuit à une température supérieure à 500OC. Le tableau cidessous donne les hauteurs de barrière Schottky pour des recuits à diverses températures pour des barrières réalisées à partir de nitrure de titane TiN ou de nitrure de tungstène WNx.
Figure img00040002
<tb>
<tb>
TiN <SEP> WNx
<tb> sans <SEP> recuit <SEP> 1,08 <SEP> V <SEP> 1, <SEP> 08 <SEP> V
<tb> 300OC, <SEP> 2 <SEP> mn <SEP> 1, <SEP> 03V <SEP> 1,03 <SEP> V
<tb> 400oC, <SEP> 2 <SEP> mn <SEP> 1, <SEP> 00V <SEP> 0, <SEP> 98V
<tb> 500oC, <SEP> 2 <SEP> mn <SEP> 0, <SEP> 99V <SEP> 0, <SEP> 92 <SEP> V
<tb> 600oC, <SEP> 2 <SEP> mn <SEP> 0,93 <SEP> V <SEP> 0, <SEP> 87 <SEP> V
<tb> 700oC, <SEP> 2 <SEP> mn <SEP> 0, <SEP> 88V <SEP> 0, <SEP> 87 <SEP> V
<tb> 800oC, <SEP> 2 <SEP> mn <SEP> 0, <SEP> 85 <SEP> V <SEP> 0, <SEP> 83 <SEP> V
<tb> 900oC, <SEP> 2 <SEP> mn <SEP> 0, <SEP> 85V <SEP> 0, <SEP> 81V
<tb>
Figure img00040003

Comme on le constate, on obtient initialement une barrière élevée qui réduit après un recuit pour devenir inférieure à 1 V. On choisira un recuit à une température dont on est certain qu'elle ne sera pas dépassée lors du fonctionnement de la diode ou lors d'étapes ultérieures de fabrication. De préférence, ce recuit sera choisi dans une plage de 700 à 9000C.
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Figure img00050001
Un avantage d'une diode Schottky à base de carbure de silicium est qu'elle peut présenter à la fois une tension de claquage en inverse élevée, une faible barrière Schottky en direct et une faible résistance à l'état passant (Ron) du fait que, en raison de la forte tenue en tension de carbure de silicium, la couche faiblement dopée sur laquelle est formé le nitrure métallique selon l'invention peut être fine.
Toutefois, la tenue en tension inverse d'une diode dépend aussi de sa périphérie et il n'est actuellement pas possible en pratique de réaliser des implantations et des diffusions de dopants de type P (de l'aluminium) ou N (de l'azote) dans du carbure de silicium. Ceci est essentiellement dû au fait qu'un recuit pour diffusion d'une implantation d'un dopant de type P nécessiterait une température de l'ordre de 1500 C. On est donc obligé d'envisager des structures particulières pour obtenir une diode Schottky sur carbure de silicium à tension de claquage en inverse élevée. Un exemple d'une telle structure particulière est illustrée en figure 3.
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 plaquette 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 1 1 ordre de 3 à 6 gm. Le contact Schottky est formé entre cette couche 12 et un nitrure métallique 14, par exemple un nitrure de de titane. La face arrière de la plaquette 11 est revêtue d'une métallisation 5 correspondant à la cathode de la diode.
Avant de réaliser le dépôt du nitrure métallique 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,
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Figure img00060001

formation d'une tranchée périphérique 16 ayant sensiblement la profondeur de la somme 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 nitrure métallique 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 hum, par exemple de 40 J. Lm.
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 équipotentielles au lieu de remonter toutes vers la surface s'étendent au moins partiellement jusqu'à la zone de la tranchée 16. On cherche par exemple à obtenir que, quand la tension inverse maximale 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 prononcées, on évite qu'il existe dans le composant, ou dans l'isolant qui l'entoure, des zones où les champs soient trop importants.
Une solution proche de l'idéal est celle illustrée par les équipotentielles 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 réparties du potentiel, par exemple des valeurs proches de 200,400, 600 et 800 V. On notera que l'équipotentielle correspondant sensiblement à 600 V atteint la tranchée.
La façon dont sont réparties les lignes de champ dépendra essentiellement du niveau de dopage de la couche épitaxiée de type P qui par contre pourra être très mince et avoir une épaisseur de l'ordre de 1 à 3 Mm.
L'homme de l'art saura choisir le niveau de dopage optimal de la courbe épitaxiée de type P, en fonction notamment de la
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tension de claquage visée et du dopage et de l'épaisseur de la couche épitaxiée de type N, en utilisant des procédés de simulation connus, par exemple en utilisant le programme de simulation ISE-DESSIS.
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.

Claims (5)

REVENDICATIONS
1. Jonction Schottky présentant une hauteur de barrière en direct stable de 11 ordre de 0, 8 à 1 volt sur une couche de carbure de silicium, caractérisée en ce qu'elle comprend, sur ladite couche de carbure de silicium, une couche d'un nitrure métallique.
2. Jonction Schottky selon la revendication 1, caractérisée en ce que le nitrure métallique est un nitrure de métal réfractaire.
3. Jonction Schottky selon la revendication 1, caractérisée en ce que le nitrure métallique est choisi dans le groupe comprenant Ti, W, Zr, Ta.
4. Procédé de formation d'une jonction Schottky sur du carbure de silicium, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : déposer une couche d'un nitrure métallique ; et procéder à un recuit de 700 à 9000C.
5. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dépôt de nitrure métallique est réalisé par pulvérisation réactive d'une cible de titane dans une ambiance d'azote.
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