FR3050866A1 - Composant semi-conducteur de puissance et son procede de fabrication - Google Patents

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Abstract

Composant semi-conducteur de puissance (20) ayant un substrat semi-conducteur (21) avec un premier dopage, une couche épitaxiale (22) sur le substrat semi-conducteur (21) ayant un second dopage , et une première région (23a) entourée au moins partiellement par la couche épitaxiale (22) et ayant un troisième dopage. Le composant semi-conducteur de puissance comporte une seconde région (23d) concentrique à la première région (23a) dont elle est écartée latéralement ; la seconde région (23d) s'étend jusqu'à l'arête du composant semi-conducteur de puissance (20) et a un quatrième dopage.

Description

Domaine de ^invention
La présente invention se rapporte à un composant semi-conducteur de puissance ayant : un substrat semi-conducteur avec un premier dopage, une couche épitaxiale sur le substrat semi-conducteur ayant un second dopage, et une première région entourée au moins partiellement par la couche épitaxiale et ayant un troisième dopage. L’invention se rapporte également à un procédé de fabrication d’un tel composant.
Etat de la technique
Les composants semi-conducteurs de puissance à fort blocage planaire ont, une tension de claquage moindre en dehors de leur domaine actif, c'est-à-dire dans la région du bord de la plaquette de composant semi-conducteur de puissance. Cela provient de la courbure des régions dopées au bord de la plaquette du composant semi-conducteur de puissance qui se traduit par une plus forte augmentation du champ au bord de la plaquette du semi-conducteur de puissance de sorte que la plaquette peut y être facilement détruite. Pour éviter la destruction de la plaquette de composant semi-conducteur de puissance aux tensions de blocage élevées, il est connu d’utiliser des structures pour augmenter la tension de claquage dans la région du bord de la plaquette de semi-conducteur de puissance. Un exemple en est celui des anneaux Kao ou anneaux de potentiel décrits dans le document Kao YC, Wolley ED, « High voltage planar pn-junctions », IEEE Trans El. Dev. 55. 1409.
En plus de ces anneaux de potentiel flottants, il est prévu un arrêt de canal qui entoure les anneaux de potentiel et la région active du composant semi-conducteur de puissance. L’arrêt de canal bloque l’extension de la zone de charge d’espace en cas de blocage vers le bord de la plaquette, ce qui crée des défauts dans le cristal lors du procédé de division de la plaque des semi-conducteurs de puissance et ainsi le courant de blocage de la plaquette de semi-conducteur de puissance n’augmente pas pendant son fonctionnement. L’inconvénient de cette solution est que la structure occupe une surface importante.
But de l’invention
La présente invention a pour but de développer un composant semi-conducteur de puissance dont la surface nécessaire à la structure soit optimisée.
Exposé et avantages de l’invention
La présente invention a ainsi pour objet un composant semi-conducteur de puissance du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu’il comporte une seconde région concentrique à la première région dont elle est écartée latéralement, la seconde région s’étendant jusqu’à l’arête du composant semi-conducteur de puissance et ayant un quatrième dopage.
En d’autres termes, le composant semi-conducteur de puissance comporte un substrat semi-conducteur ayant un premier dopage. Une couche épitaxiale ayant un second dopage couvre le substrat semi-conducteur. Une première région avec un troisième dopage est partiellement couverte par la couche épitaxiale. L’invention, comme indiqué ci-dessus, prévoit une seconde région écartée transversalement (horizontalement selon l’orientation des figures) par rapport à la première région. La seconde région arrive jusqu’à l’arête du composant semi-conducteur de puissance et présente un quatrième dopage. Ainsi, la seconde région arrive jusqu’à l’arête de la plaquette. L’avantage de l’invention est de simplifier la fabrication du composant semi-conducteur de puissance.
Selon un développement, le premier dopage et le second dopage correspondent au même type de porteurs de charge. Ces dopages sont de type n.
Selon un autre développement, le troisième dopage et le quatrième dopage sont du même type de porteurs de charge, notamment du type p. L’avantage de cette solution est d’avoir une tenue au blocage élevée pour le composant semi-conducteur de puissance.
Selon un développement, au moins une autre région est prévue entre la première région et la seconde région, cette autre région étant concentrique à la première région. L’autre région est écartée transversalement par rapport à la première région et à la seconde région ; cette autre région a un cinquième dopage qui correspond au même type de porteurs de charge que la première région et la seconde région. De façon avantageuse, les anneaux de protection ou anneaux de potentiel se réalisent ainsi simplement. L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un composant semi-conducteur de puissance consistant à : appliquer une couche épitaxiale sur une plaquette de semi-conducteur de puissance, générer une première région dopée entourée au moins partiellement par la couche épitaxiale, cette première région dopée correspondant notamment à un dopage p et générer une seconde région concentrique à la première région et écarter transversalement la première région, la seconde région dopée étant notamment à dopage p, et diviser la plaquette de composants semi-conducteurs de puissance pour avoir une arête de rupture des composants semi-conducteurs de puissance qui traverse pratiquement verticalement la seconde région.
Ce procédé a l’avantage de ne pas détruire le cristal au niveau de l’arête de rupture de sorte que le composant semi-conducteur de puissance a une tenue de blocage élevée.
Selon un développement, la division se fait à l’aide d’un faisceau laser. Ainsi, le procédé de division n’induit pas de défaut dans le cristal dans la région du bord de la plaquette.
Selon un autre développement, pour diviser la plaque des semi-conducteurs de puissance, on utilise de brèves impulsions laser.
De façon avantageuse, l’extension de la seconde région est réduite car il n’est plus nécessaire de prévoir un arrêt de canal ni d’enlever de la matière par le procédé de séparation de sorte que l’ensemble de la structure occupe moins de place.
Dessins
La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l’aide de deux exemples de composants semiconducteurs de puissance représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un composant semi-conducteur de puissance avec un anneau de protection ou anneau de potentiel selon l’état de la technique, - la figure 2 montre un premier exemple de réalisation d’un composant semi-conducteur de puissance selon l’invention, - la figure 3 montre un second exemple de réalisation d’un composant semi-conducteur de puissance selon l’invention, - la figure 4 est le schéma d’un procédé de fabrication d’un composant semi-conducteur de puissance selon l’invention, et - la figure 5 montre des diagrammes des courbes de champ entre un composant semi-conducteur de puissance selon l’état de la technique (figure 1) et un composant semi-conducteur de puissance selon la figure 3 avec quatre anneaux de potentiel à dopage p.
Description de modes de réalisation
La figure 1 montre un composant semi-conducteur de puissance 10 selon l’état de la technique, par exemple de la classe de tension 600V. Le composant semi-conducteur de puissance 10 comporte un substrat de silicium 11 à dopage n ; le substrat de silicium 11 a une face avant et une face arrière. La face avant du substrat de silicium 11 comporte une couche épitaxiale 12 à faible dopage n, par exemple en silicium. Elle peut avoir une épaisseur par exemple de 45 gm et sa concentration de dopage est de 1E14 cmA-3. La couche épitaxiale 12 a plusieurs régions 13a, 13b, 13c à dopage p. Les régions 13a, 13b, 13c à dopage p s’étendent à partir de la surface supérieure de la couche épitaxiale 12 sur quelques microns de profondeur à l’intérieur de la couche épitaxiale 12. En d’autres termes, les régions 13a, 13b, 13c à dopage p sont entourées au moins partiellement par la couche épitaxiale 12. La région 13a à dopage p entoure ainsi la région active du composant semi-conducteur de puissance 10. Les deux régions 13b, 13c à dopage p sont concentriques à la région active du composant semi-conducteur de puissance 10 et fonctionnent comme des anneaux protecteurs. Les deux régions 13b, 13c à dopage p sont écartées horizontalement (écartées latéralement) l’une de l’autre et par rapport à la région 13a à dopage p. Une région 14 à dopage n entoure concentriquement la région active à une certaine distance latérale (horizontale). La région 14 à dopage n entoure ainsi les régions 13b, 13c à dopage p ; elle a une distance latérale par rapport à l’anneau de protection extérieur, c'est-à-dire à la région 13c à dopage p qui est de l’ordre de 20-40 μιη. La région 14 à dopage n fonctionne comme une barrière de canal et en général sa profondeur est moindre que celle des régions 13a, 13b, 13c à dopage p. L’arrêt de canal a par exemple une largeur comprise entre 80 et 120 μιη. Une couche diélectrique 15 est appliquée sur la couche épitaxiale 12 de sorte que les régions 13b et 13c à dopage p sont couvertes complètement. La région 13a à dopage p et la région 14 à dopage n sont couvertes au moins partiellement par la couche diélectrique 15. La région 13a à dopage p est au moins partiellement reliée galvaniquement à une première couche métallique 16. La région 14 à dopage n est reliée au moins partiellement à une seconde couche métallique 17 servant d’arrêt aux impuretés telles que par exemple des ions de sodium qui peuvent pénétrer dans la couche diélectrique 15 pendant le fonctionnement du composant semi-conducteur de puissance. La face arrière du substrat de silicium lia une troisième couche métallique 18.
Le composant semi-conducteur de puissance 10 selon l’état de la technique est une diode. La première couche métallique 16 constitue le branchement de l’anode et la troisième couche métallique 18 constitue le branchement de la cathode.
La figure 2 montre un premier exemple de réalisation d’un composant semi-conducteur de puissance 20 selon l’invention. Le composant semi-conducteur de puissance 20 comporte un substrat semi-conducteur 21, notamment un substrat de silicium à fort dopage n. Le substrat semi-conducteur 21a une face avant et une face arrière. La face avant du substrat semi-conducteur 21 porte une couche épitaxiale 22 qui est notamment une couche à faible dopage n. La couche épitaxiale 22 a une première région 23a et une seconde région 23d sur la face supérieure de la couche épitaxiale 22 en pénétrant dans cette couche épitaxiale 22. La première région 23a et la seconde région 23d sont dopées avec le même type de porteurs de charge. Il s’agit notamment de porteurs de charge de type p. La première région 23a entoure ou définit la région active du composant semi-conducteur de puissance 20. La seconde région 23d est concentrique à la première région 23a ou région active et est à une certaine distance latérale par rapport à la première région 23a, c'est-à-dire la région active. La première région 23a et la seconde région 23d ont la même hauteur. La couche épitaxiale 22 porte une couche diélectrique 25 de sorte que la première région 23a et la seconde région 23d sont au moins partiellement couvertes. La première région 23a est au moins partiellement reliée galvaniquement à la première couche métallique 26. La seconde région 23d est au moins partiellement reliée galvaniquement à une seconde couche métallique 27. La face arrière du substrat semi-conducteur 21 porte une troisième couche métallique 28. Contrairement à la disposition de l’état de la technique, la zone de charge d’espace du composant semi-conducteur de puissance 21 s’étend jusqu’au bord de la plaquette pour des tensions de blocage élevées.
La figure 3 montre un second exemple de réalisation du composant semi-conducteur de puissance 30 selon l’invention. Le composant semi-conducteur de puissance 30 présente les caractéristiques du composant semi-conducteur de puissance 20 de la figure 2 et entre la première région 33a et la seconde région 33d, il y a au moins une autre ou troisième région 33b. En d’autres termes, la troisième région correspond à une autre région. La troisième région 33b est dopée avec le même type de porteurs de charge que la première région 33a et la seconde région 33d. Cette troisième région 33b est concentrique à la première région 33a, c'est-à-dire la région active du composant semi-conducteur de puissance 30 et présente une distance latérale par rapport à la première région 33a ou région active et par rapport à la seconde région 33d. La troisième région 33b fonctionne comme anneau de garde ou anneau de potentiel. En plus, on peut avoir une autre ou quatrième région 33c concentrique à une certaine distance de la troisième région dopée 33b. En d’autres termes, la quatrième région fait partie de la notion « autre région ». La distance entre la troisième région 33b et la quatrième région 33c pour la classe de tension indiquée de 600V est par exemple comprise entre 5 et 20 μιη. La zone de charge d’espace du composant semi-conducteur de puissance 30 s’étend jusqu’au bord de la plaquette de sorte que la zone de charge d’espace s’étend transversalement jusqu’en dessous de la seconde région 33d. Cela signifie que si la zone de charge d’espace devait toucher électriquement la seconde région 33d, la seconde région 33d reçoit la tension de blocage et augmente ainsi la tension de claquage du composant semi-conducteur de puissance 30. En d’autres termes, l’arrêt de canal de l’état de la technique est remplacé par la seconde région 33d qui a le même type de porteurs de charge que la région active 33a, c'est-à-dire les anneaux de potentiel 33b, 33c existants.
Selon un exemple de réalisation, en particulier dans la classe de tension 600V, le substrat semi-conducteur 21, 31 a un dopage supérieur à 5E19cmA-3, la concentration du dopage de la couche épitaxiale 22, 32 est de lE14cmA-3 et une épaisseur comprise entre 45 gm et 60 gm. La profondeur des régions dopées 23a, 23c, 33a, 33b, 33c et 33d à la surface de la couche épitaxiale est comprise entre 3 à 4 gm. La couche diélectrique 15, 25, 35 a une hauteur de 1 gm et est par exemple en dioxyde de silicium.
Au-dessus de la couche diélectrique 15, 25, 35, on a au moins une couche de passivation. Cette couche est du verre de phosphore couvert par un nitrure. Les couches de passivation ont par exemple une épaisseur de 1 gm.
En option, au moins un anneau de potentiel a une plaque de champ. La région à dopage p de l’anneau de potentiel est ainsi reliée galvaniquement à la plaque de champ.
En variante, le substrat semi-conducteur comporte du carbure de silicium.
En variante, les types de porteurs de charge des régions dopées sont échangés, ce qui signifie que les régions à dopage p décrites ci-dessus sont maintenant des régions à dopage n et réciproquement.
La figure 4 montre un procédé 400 de fabrication d’un composant semi-conducteur de puissance selon l’invention. Le procédé 400 commence par l’application 410 d’une couche épitaxiale sur une plaquette de semi-conducteur de puissance. Dans l’étape 420 suivante, on réalise une première région dopée entourée au moins partiellement par la couche épitaxiale et une seconde région dopée entourée au moins partiellement par la couche épitaxiale et qui est écartée transversalement par rapport à la première région dopée. Dans l’étape 430 suivante, on divise la plaquette semi-conductrice de puissance, les arêtes de rupture du composant semi-conducteur de puissance étant pratiquement verticales à travers la seconde région dopée, l’arête de rupture ne présentant pas de destruction du cristal.
En option, on divise (430) par un faisceau laser pour ne pas avoir d’enlèvement de matière lors de la division de la plaquette de semi-conducteurs de puissance. En d’autres termes, on fend la plaquette semi-conductrice de puissance pour pratiquement ne produire aucune destruction de cristal à l’arête de la plaquette de semi-conducteurs de puissance. Cela signifie qu’en fonctionnement du composant semi-conducteur de puissance, lorsque la zone de charge d’espace arrive dans la seconde région et la touche, le courant d’arrêt du composant semi-conducteur de puissance ne sera pas augmenté. Cela signifie, par comparaison avec le procédé usuel de sciage, que les courants de blocage à l’intérieur du composant semi-conducteur de puissance seront beaucoup plus faibles à la fin de l’opération de division.
En variante, on peut appliquer un procédé de séparation thermique par laser. Pour cela, on trace une « rayure » dans la plaquette de semi-conducteurs de puissance pour chaque position de puce, à l’aide d’une brève impulsion laser puis on balaie avec le faisceau laser qui chauffe ponctuellement la plaquette le long de cette ligne et immédiatement, on refroidit par un jet de gaz ou d’aérosol. La combinaison de la tension de compression provoquée par réchauffement et de la tension de traction exercée par le refroidissement local provoque la division de la plaquette de semi-conducteur de puissance sans générer de défaut dans le cristal.
Selon une autre variante, pour diviser la plaquette de semi-conducteurs de puissance, on utilise un laser. La température du cristal au point de séparation reste inférieure à la température de fusion et le cristal semi-conducteur ne sera que divisé mécaniquement.
Selon une autre variante, pour diviser la plaquette de semi-conducteurs de puissance, on divise la plaquette par des tensions mécaniques produites lorsque la plaquette est chauffée par le faisceau laser et qu’elle est ensuite immédiatement refroidie par un jet de gaz.
En variante, on peut également utiliser d’autres procédés de séparation par laser qui ne provoquent aucune destruction du cristal au niveau de l’arête de séparation.
En variante, on peut également utiliser des procédés de séparation mécanique consistant à rompre la plaquette, par exemple à l’aide d’une pointe de diamant, d’une scie à diamants ou d’un faisceau laser pour ensuite casser mécaniquement.
Le procédé peut être appliqué de préférence à la fabrication de composants semi-conducteurs de puissance tels que des diodes PN, des diodes Schottky, des transistors bipolaires, des transistors à effet de champ et des composants IGBT.
La figure 5 montre les courbes de champ 51 d’un composant semi-conducteur de puissance selon l’état de la technique (figure 1) et les courbes de champ (52) d’un composant semi-conducteur de puissance selon l’invention (figure 3) avec quatre anneaux de potentiel à dopage p. Les unités sur les axes X et Y sont données en μιη. Les courbes de champ 51, 52 représentées se produisent lors d’une rupture de tension de blocage. La couche épitaxiale présente dans les deux cas une épaisseur de 2,45 pm et a un dopage 1E14 cmA-2 ; les régions à dopage p ou l’arrêt de canal ont une profondeur d’environ 3,4 pm.
NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRICIPAUX 10 Composant semi-conducteur de puissance 11 Substrat de silicium 12 Couche épitaxiale 13a, 13b, 13c Régions à dopage p 14 Région à dopage n 15 Couche diélectrique 16 Première couche métallique 17 Seconde couche métallique 18 Troisième couche métallique 20 Composant semi-conducteur de puissance selon l’invention 21 Substrat semi-conducteur 22 Couche épitaxiale 23a, 23d Régions à dopage par le même type de porteurs de charge 26 Première couche métallique 27 Seconde couche métallique 28 Troisième couche métallique 30 Composant semi-conducteur de puissance selon l’invention 33a, 33d, 33b Régions dopée de même type de dopage 35 Couche diélectrique 50, 51 Courbes de champ 400 Procédé de fabrication 410-430 Etapes du procédé de fabrication

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS 1°) Composant semi-conducteur de puissance (20, 30) ayant : un substrat semi-conducteur (21, 31) avec un premier dopage, une couche épitaxiale (22, 32) sur le substrat semi-conducteur (21, 31) ayant un second dopage, et une première région (23a, 33a) entourée au moins partiellement par la couche épitaxiale (22, 32) et ayant un troisième dopage, composant semi-conducteur de puissance caractérisé en ce qu’ il comporte une seconde région (23d, 33d) concentrique à la première région (23a, 33a) dont elle est écartée latéralement, * la seconde région (23d, 33d) s’étendant jusqu’à l’arête du composant semi-conducteur de puissance (20, 30) et ayant un quatrième dopage.
  2. 2°) Composant semi-conducteur de puissance (20, 30) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier dopage et le second dopage correspondent au même type de porteurs de charge, notamment à des porteurs de charge de type n.
  3. 3°) Composant semi-conducteur de puissance (20, 30) selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le troisième dopage et le quatrième dopage ont le même type de porteurs de charge, notamment les porteurs de charge de type p.
  4. 4°) Composant semi-conducteur de puissance (20, 30) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’ il comporte au moins une autre région (33b) entre la première région (23a, 33a) et la seconde région (23d, 33d), cette autre région (33b) étant concentrique autour de la première région (23a, 33a) et a une distance transversale respective par rapport à la première région (23a, 33a) et à la seconde région (23d, 33d), l’autre région (33b) a un cinquième dopage qui est du même type de porteurs de charge que celui de la première région (23a, 33a) et la seconde région (23b, 33b).
  5. 5°) Procédé (400) de fabrication d’un composant semi-conducteur de puissance (20, 30) consistant à : appliquer (410) une couche épitaxiale sur une plaquette de semi-conducteur de puissance, générer (420) une première région dopée entourée au moins partiellement par la couche épitaxiale, cette première région dopée correspondant notamment à un dopage p et générer une seconde région concentrique à la première région et écarter transversalement la première région, la seconde région dopée étant notamment à dopage p, et diviser (430) la plaquette de composants semi-conducteurs de puissance pour avoir une arête de rupture des composants semi-conducteurs de puissance qui traverse pratiquement verticalement la seconde région.
  6. 6°) Procédé (400) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’ on divise (430) avec un faisceau laser.
  7. 7°) Procédé (400) selon la revendication 6, caractérisé en ce que pour diviser (400) la plaquette de semi-conducteurs de puissance, on utilise de brèves impulsions laser.
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