Brevet FR2012941A1 — publié le 19700327

i. 2012941 La présente invention est relative aux techniques de fabrication des circuits électroniques microminiaturisés, et plus particulièrement à un circuit électronique miniaturisé à plusieurs couches fabriqué en utilisant l'énergie d'un faisceau électronique 5 D.'après le brevet français n° 1 506 152 de la demanderesse, on connaît line technique de formation de protubérances ou bosses au moyen d'un faisceau électronique, sur un matériau semi-conducteur monocristallin, suivant laquelle les composants du circuit sont fabriqués successivement . La technique décrite utilise 10 un faisceau d'électrons d'énergie élevée, dirigé sur un substrat constitué par une pastille de monocristal « En puisant le faisceau d'électrons suivant un programme prédéterminé au-dessus de la surfe.ce de la pastille, une multitude de protubérances ou bosses de matériau monocr&stallin sont produites en des emplacements dé-15 sirés et présentent des dimensions déterminées . En particulier, le potentiel du faisceau à haute énergie est approximativement de 100 keV pour un courant légèrement inférieur à 5 microampères; la fréquence d'impulsions est de 250 Hz environ . Jusqu'à maintenant, divers dispositifs semi-conducteurs 20 tels que des transistors, des diodes et des résistances étaient formés dans ces protubérances ou bosses, ou dans les zones délimitées par les techniques de découpage au faisceau électronique 9 6'est-à-dire qu'en plus de la façon usuell^Ô'opérer au moyen de masques photographiques et de décapage chimique par l'une 25 quelconque de ces techniques ou leur combinaison, un circuit intégré planar pouvait être fabriqué . Cependant, à cause de difficultés d'alignement, en particulier avec la technique du masque photographique et du décapage, il était difficile, sinon impossible, de fabriquer des circuits à plusieurs couches . 30 Bien que la technique du faisceau d'électrons citée ci- dessus permette d'obtenir des sites pour composants monocristallins relativement purs, d'autres techniques de fabrication de circuits intégrés planar ont permis d'obtenir des sites pour composants qui contiennent souvent des impuretés indésirables 35 Ces impuretés étaient nuisibles au fonctionnement du dispositif En outre, les opérations de décapage et d'utilisation du masque photographique ne conduisent pas à une fiabilité de production de circuits à concentration de composants élevée . 11.526 2. 2012941 Afin de produire sur une pastille un grand nombre de composants fiables, l'invention vise à réaliser un circuit électronique miniaturisé à plusieurs couches . L'invention vise également à fournir un circuit électronique 5 microminiaturisé fabriqué au moyen d'un faisceau d'électrons en utilisant simultanément d'autres techniques dé fabrication . L'invention vise encore à fournir un circuit électronique microminiaturisé sous la forme d'une configuration empilée à trois dimensions et présentant des sites cristallins pour composants 10 relativement pui?s * Suivant 1® invention, un circuit électronique micro-miniaturisé est fabriqué à partir d'une pastille de monocristal formant substrat recouverte d'une couche diélectrique ou isolante . Un faisceau dirigé sur la pastille peroe un trou dans la couche 15 diélectrique st forme un monticule sur le substrat dans le trou obtenu par vaporisation . Un site monocristallin pour composants est formé dans la partie supérieure de la couche diélectrique au moyen d'un faisceau électronique à balayage utilisant le monticule comme un site de formation „ Des couches 20 successives d'oxyd^ét de sites pour composants sont égiflanent formées par l'énergie du faisceau qui vaporise des trous dans la couche diélectrique et prolonge le monticule de départ . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre . 25 Au dessin annexé5 donné uniquement à titre d'exemple : XesFig* 1 à 7 sont des vues en coupe, de dimensions exagérées, d'une pastille montrant les phases successives de fabrication d'un circuit électronique micro-miniaturisé à plusieurs couches » Afin d'obtenir un circuit électronique microminiaturisé 30 à plusieurs couches on peut utiliser une combinaison de la technique du faisceau électronique, et des techniques du faisceau d'ions et de réaction., chimique . D'autres combinaisons de sources d'énergie concentrée et une technologie classique des semiconducteurs ( telle qu'une fusion au four) peuv,ent être utilisées 35 pour obtenir le résultat désiré » Cependant, lrinvention va être décrite en insistant particulièrement sur les techniques cfes faisceaux d'électrons utilisées pour la production de diverses couches de composants „ bad original 69 11526 3. 2012941 Le matériau de départ est un substrat monocristallin 10, tel que du silicium, recouvert d'une couche 12 de diélectrique ou d'isolant telle que de la silice . Bien que la description de la présente invention soit axée sur le silicium comme matériau 5 de base, d'autres matériaux, tels que le germanium ou l'arséniure de gallium ainsi que d'autres semi-conducteurs des groupes II à YI et III à V du Tableau Périodique des Eléments, peuvent également être utilisés . Bien que le substrat 10 puisse être en un matériau semi-conducteur quelconque, et présenter n'importe 10 quelle résistivité initiale, l'invention sera décrite en se référant à un monocristal, de silicium du type N+ de faible résistivité revêtu d'une couche de silice 12, ayant une épaisseur de l'ordre de 5000 Â . En outre, bien qu'un seul site pour composants ait été représenté sur les Fig. on comprendra qu'une 15 pastille donnée peut contenir des douzaines et même des centaines de sites pour composants chacun d'eux étant formé d'un ou d'une combinaison quelconque de transistors, de diodes et d'autres composants . Un appareil à faisceau d'électrons, tel qu'utilisé pour la 20 fabrication de circuits électroniques microminiaturisés a été soigneusement décrit dans le brevet précité et dans d'autres brevets des Etats-Unis d'Amérique tels que le brevet n° 3 3^0 601; une description détaillée de cet appareil a donc été jugée superflue . Dans un générateur de faisceaux d'électrons, un jet 25 d'électrons de forte énergie est émis par une cathode chauffée reliée à une source de courant de chauffage .Les électrons émis par la cathode d'un générateur d'électrons sont accélérés vers le substrat 10 par une tension d'accélération continue négative appliquée entre la cathode et une anode mise à la masse . D'une 30 manière classique, les électrons accélérés peuvent être concentrés en un faisceau et commandés suivant une configuration particulière au moyen de plaques de réglage ou déflecteurs . En particulier, la cathode émet des électrons par impulsions ayant une durée comprise entre 5 et 25 microsecondes à une fréquence 35 d'environ 250 impulsions par seconde .L'énergie du faisceau, lorsqu'il frappe le substrat 10, est de l'ordre de 0,5 àl milliwatt par cm . Comme on l'a démontré dans de nombreuses expériences, un faisceau d'électrons peut être- placé avec une précision de l'ordre de 5 microns . Ainsi, la fabrication de 11526 4. 2012941 circuits électroniques microminiaturisés au faisceau d'électrons, présente un avantage considérable de précision sur les techniques classiques des masques photographiques et du décapage . Deux des nombreux avantages de la technique du faisceau 5 d'électrons pour la fabrication des circuits électroniques microminiaturisés sont la zone de fusion extrêmement étroite du faisceau et la possibilité de commander la position de ce dernier . Des zones de fusion de la forme désirée et placées dans des positions relatives prédéterminées peuvent être produites 10 au moyen d'un faisceau d'électrons avec des tolérances extrêmement étroites . Suivant l'invention, le faisceau d'électrons est puisé au-dessus de la surface de la couche diélectrique 12 suivant une configuration prédéterminée à ton niveau d'énergie juste inférteir à celui nécessaire pour vaporiser le substrat 15 monocristallin 10 . Bien qu'ayant une énergie insuffisante pour vaporiser le substrat 10, le faisceau d'énergie présente une énergie suffisante pour percer un trou par vaporisation dans la couche diélectrique 12. Il en résulte qu'un certain nombre de monticules, tel que le monticule/de la Fig. 2 en silicium raono-20 cristallin sont formés sur le substrat 10 à travers la couche diélectrique 12 . On remarquera que le monticule 14 n'est pas formé par découpage ou décapage dans le substrat 10, mais par une dilatation du matériau au-dessus dçla surface initiale du substrat Des recherches de laboratoires sur les monticules formés de cette 25 manière ont montré qu'il y a dilatation volumétrique du substrat 10 . Une fois le monticule 14 formé sur le substrat 10, une petite zone de matériau monocristallin 16 est formée par épitaxie sur la' couche diélectrique 12 en utilisant le monticule comme site de 30 formation . Comme mentionné précédemment, d'autres procédés que les techniques au faisceau d*électrons peuvent être utilisées pour la fabrication complète d'un circuit électronique miniaturisé à plusieurs couches . Dans le cas du cristal 16, une réaction classique en phase gazeuse peut être utilisée pour former le 35 monocristal sur le monticule monocristallin 14 de sorte que la structure de la couche résultante est une extension exacte de la structure cristalline du substrat . Comme représenté à la Fig. 3» 11 existe maintenant deux couches de matériau cristallin pouvant être utilisées comme sites de formation de transistors ou d'autres 40 dispositifs semi-conducteurs . Ces couches peuvent être inter 69 11526 5. 2012941 connectées ou- en enlevant le monticule 14, isolées électriquement pour former un. circuit indépendant » Si on le désire, la surface du cristal 16 peut être étendue au moyen d'un faisceau d'électrons soumis à un balayage qui 5 fait "croître" réellement le silicium daes une zone plus importante que celle que l'on pourrait obtenir par dépôt épitaxial du silicium seulement .Ceci est représenté à la Fig. 4 sur laquelle le cristal 16 a été agrandi au-dessus de la couche diélectrique 12.au moyen d'un faisceau d'électrons soumis à un balayage „• La croissance 10 du silieiura peut être réalisée en utilisant un faisceau à balayage, seul ou en combinaison avec une atmosphère chimique de vapeur épitaxiaie telle que du ipiehlorosilane „ .Cette.surface agrandie psut utilisée cohhhs un site pour composants pour la formation de dispositifs serai-conducteurs par la technique 15 des masques photographiques et de diffusion de régions dopées . De préférence la région 16 est divisée en plusieurs sites pour composants, tels que 20 et 22, au moyen d'un masque photographique et d'un décapage chimique pour isoler ces sites du monticule 14 . Pour former des couches supplémentaires du circuit, la couche 20 diélectrique 12 et les sites pour composants 20 et 22 sont recouverts avec une seconde couche diélectrique 24, comme représenté à la Fig. 6, par toute technique classique d© formation d'oxyde. Cette seconde couche diélectrique 24 est déposée pour atteindre une profondeur de l'ordre de quelques microns . Une répétition 25 des phases de formation d'un trou dans la couche diélectrique et de formation du monticule 14 est alors réalisée . En dirigeant le faisceau d'électrons de haute énergie sur la couche diélectrique 24 dans la zone du monticule 14, on forma par. vaporisation un trou dans la couche diélectrique et on provoque une dilatation 30 supplémentaire du matériau du substrat 10, augmentant ainsi la hauteur du monticule 14 » Successivement, un cristal 26 est déposé par épitaxie sur la couche diélectrique 24, en utilisant de nouveau le monticule 14 comme site de formation . Ce cristal est agrandi au moyen.d'un faisceau d'électrons à balayage et divisé 35 au moyen d'une technique de masque photographique et de décapage . Par des expériences de laboratoire, on a montré qu'en choisissant convenablement les paramètres du faisceau àn monticule peut être formé de manière à atteindre une hauteur de plusieurs dizaines de microns . Comme l'épaisseur des couches diélectriques 12 et 24 69 11526 6. 2012941 est de 15ordre de quelques microns, les opérations décrites ci-dessus peuvent être répétées pour former un circuit microélectronique ayant un grand nombre de couches et dans des emplacements prédéterminé3^ ee circuit reposant sur un matériau de composition 5 diélectrique ou étant pris entre deux matériaux de ce type . Ces couches de circuits peuvent être interconnectées au moyen d'un monticule ou être électriquemet indépendantes . Si on le désire5 un monticule peut être enlevé après achèvement des couches de circuits par un faisceau d'électrons ayant un niveau d'énergie 10 suffisant pour vaporiser le monticule . En outre, pour agrandir le monticule 14 à travers les couches successives de matériau diélectrique,"le faisceau 'd'énergie peut être dirigé sur les sites pour composants 20 et 22, de manière à fermer deçâonticules 28 et 30 comme représenté à la Fig. 7 » 15 afin ds obtenir des sites de formation à la surface de la couche diélectrique 24 0 Les monticules tels que 28 et 30 sont particulièrement importants lorsque le circuit des sites pour composants 20 et 22 doit être interconnecté aux:sites pour composants de la couche diélectrique 24 a Suivant les phases décrites pré-" 20 céderaient, les régions 32 et 34 de matériaux monocrîstallins peu\ent être déposées par épitaxie sur la couche diélectrique 24 en utilisant les monticules 28 et 30 comme sites de formation . Ces zones de monocristal peuvent être étendues en utilisant soit un faisceau d'énergie à balayage seul ou en combinaison avec une 25 atmosphère chimique da vapeur épitaxiale telle que du trichloro-silane sec 0 Uns combinaison des effets peut êtrObtenue en utilisant la technologie du faisceau d'électrons seule ou en combinaison avec des techniques de masques photographiques et de décapage chimique, comme exposé précédemment . 30 Des configurations très précises de monticules et de sites pour composants peuvent être formées par les techniques décrites ci-dessus qui sont non seulement plus simples mais permettent encore-un degré de mi cr ossin i atur i s a t i on plus élevé que celui qu'on pouvait obtenir par les techniques classiques-de masques 35 et de décapage . Bien que l'on ait particulièrement insisté sur l'utilisation des faisceaux d'électrons,- on considère également que d'autres sources d'énergie concentrée telles que le laser., peuvent être utilisées de la même manière pour former plusieurs monticules sûr un matériau monocristal1in , Pour les substrats de silicium, la couche diélectrique peut être du nitrure ou du carbure de silî- 40 oiuffi oufere 18 • bad original 69 11526 7. 2012941 REVENDICATION S 1. Procédé de fabrication d'un circuit électronique micro-miniaturisé à partir d'un substrat monocristallin recouvert d'une couche de diélectrique, caractérisé en ce qu'il consiste à former par vaporisation un trou dans ladite couche diélectrique au moyen 5 d'un faisceau d'énergie, à produire un monticule sur la surface dudit substrat monocristallin qui s'étend à travers le trou dans ladite couche diélectrique,au moyen d'un faisceau d'énergie, et à former une couche de monocristal sur la couche diélectrique en utilisant ledit monticule comme site de formation . 10 2. Procédé de fabrication suivant la revendication 1, carac- risé en ce que la couche de monocristal est formée sur la couche diélectrique par dépôt épitaxial d'un matériau monocristallin sur ledit monticule . 3. Procédé de fabrication suivant la revendication 1 ou 2, 15 caractérisé en ce qu'on dirige un faisceau à balayage sur la couche monocristallhe de manière à agrandir celle-ci . 4.Procédé de fabrication suivant la revendication 3* carac-risé en ce que le faisceau d'énergie destiné à former vin trou par vaporisation dans ladite couche diélectrique, à produire ledit 20 monticule et' à agrandir ladite couche de monocristal est constitué par un faisceau d'électrons . 5. Procédé de fabrication suivant la revendication 3» caractérisé en ce que l'agrandissement de ladite couche de monocristal est réalisé en balayant un faisceau d'électrons dans une atmosphère 25 de vapeur épitaxiale . 6. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on divise ladite couche de monocristal pour définir des sites pour composants . 30 7. Proeédé de fabrication suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'on dépose une seconde couche diélectrique sur ladite couche diélectrique et les sites pour composants, on forme par vaporisation un trou dans ladite seconde couche diélectrique, ce trou coïncidant avec le monticule s'étendant à travers 35 le trou pratiqué dans ladite couche diélectrique au moyen d'un faisceau d'énergie,on agrandit ledit monticule à travers le trou formé par vaporisation dans ladite seconde couche diélectrique , 69 11526 8. 2012941 on forme une couche de monocristal sur ladite seconde couche diélectrique, le monticule agrandi formant de site de formation, et on divise ladite couche de monocristal formé sur la seconde couche diélectrique pour obtenir des sites de composants 5 supplémentaires . 8. Procédé de fabrication suivant la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs trous sont formés par vaporisation dans ladite couche diélectrique en dirigeant le faisceau d'énergie sur différentes zones de ladite couche diélectrique suivant 10 une configuration telle que plusieurs monticule§éont produits sur la surface dudit substrat monocristallin s'étendant respectivement à travers les trous formés par vaporisation dans ladite couche diélectrique, on forme m matériau monocristallin sur chacun desdite monticules pour obtenir plusieurs couches de 15' monocristal sur ladite couche diélectrique, on agrandit la couche de monocristal de chaque monticule au-dessus de la couche diélectrique en balayant un faisceau d'énergie autour de chacune des dites couches de monocristal, et on obtéaàt des sites pour composants en divisant chacune des couches agrandies de monocristal. 20 9.Procédé de fabrication suivant l'une des revendications 6 à 8 caractérisé en ce qu'on diffuse un matériau dopant dans des zones choisies desdits sites pour composants . 10. Procédé de fabrication suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'on forme des sites de composants supplémentaires 25 sur une autre couche diélectrique recouvrant les sites pour composants précédents et la couche diélectrique sur laquelle ils sont disposés en appliquant une couche diélectrique supplémentaire par dessus ladite couche diélectrique et les sites pour composants qui s'y trouvent ; et on répète l'application 30 d'un faisceau d'énergie sur lesdits sites de manière à agrandir la multitude de monticules au-dessus de la couche diélectrique suivante, à assurer la formation de couches monocristallines au-dessus de cette dernière, l'accroissement desdites couches mono cristalline s, et la division desdites couches monocristallines 35 agrandies en sites pour composants . 11, Procédé de fabrication suivant la revend ic at i on 6, caractérisé en ce qu'on dépose une seconde couche/sur^facîÇllUcouche diélectrique et les sites pour composants, on forme par vaporisation des trous respectivement dans ladite seconde couche 69 11526 9. 2012941 diélectrique, lesdits trous coïncidant avec lesdlts sites pour composants de ladite couche diélectrique au moyen d'un faisceau d'énergie, on produit un monticule sur chacun desdits sites pour composants s'étendant à travers le trou correspondant pratiqué 5 dans ladite seconde couche diélectrique au moyen d'un faisceau d'énergie, et on forme des couches de monocristal respectives sur ladite seconde couche diélectrique en utilisant les monticules desdite sites pour composants comme sites de formation «, ' 12. Circuit microélectronique composite à trois dimensions, 10 réalisé d'après le procédé suivant la revendication 6, comprenant un substrat monocristallin de matériau serai-conducteur, une couche de matériau diélectrique superposée avec ledit substrat monocristallin, ledit circuit étant caractérisé en ce qu'il comporte un grand nombre d'ilôts monocristallins 15 de matériau semi-conducteur, disposés de manière aléatoire sur ladite couche diélectrique et isolés dudit substrat monocristaux.. 13. Circuit suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde couche diélectrique disposée au-dessus de la couche diélectrique précédente et des ilôts monocristallins 20 déposés sur cette dernière, et au moins un ilôt monocristallin de matériau semi-conducteur déposé sur ladite seconde couche diélectrique . 14. Circuit suivant la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte un monticule formé sur ledit substrat monocristallin 25 et s'étendant à travers des ouvertures communicantes dans lesdites couches diélectriques et ledit ilot monocristallin étant venu de matière avec ledit monticule de manière à être interconnecté avec ledit substrat monocristallin . 15. Circuit suivant la revendication 13, caractérisé en 30 ce que les ilôts monocristallins correspondants de matériau semi-conducteur sont disposés respectivement sur la première et la seconde couches diélectriques et alignés les uns avec les autres, et des monticules formés à partir de chacun des ilôts monocristallins sur la première couche diélectrique et s.'étendant 35 à travers des ouvertures respectives dans ladite seconde couche diélectrique, lesdits monticules interconnectant chacun desdits ilôts monocristallins de ladite première couche diélectrique avec les ilôts monocristallins correspondants de la seconde couche diélectrique .