Brevet FR2000900A1 — publié le 19690919

' , Z.0G90G la présente invention ocAiefeme mi perfectionnement à la structure de sortie d'électrodes d'un dispositif à semiconducteurs la surface d'un élément semi-conducteur est sensible à l'atmosphère extérieure et habituellement, elle est recouverte 5 d'une pellicule spéciale de passivation et/ou est disposée dans un boîtier spécial. Par exemple» l'élément semi-conducteur est enrobé dans une matière plastique ou est enfermé hermétiquement dans un récipient constitué par une tige et un capot qui y est raccordé. Dans la technique actuelle des dispositifs semi-conducteurs à cir-•JO cuits intégrés dans lesquels plusieurs éléments de circuit sont intégrés de manière à constituer un circuit fonctionnel3 la sous-couche (du support) est souvent logée dans une capsule eu- "emballage" plat. Sur la surface d'une sous-eo-.che semi-cornuc ti*ice» on prépare un grand nombre de bornes ou électrodes destiné-;-:? au 15 circuit fonctionnelo "L'emballage" précité muni ® un 5.- :r-A nombre dt conducteurs s'étendant à partir de l'intérieur 3 'extérieur et faisant aboutir ces éToctrodet* -lors de "1' lorsqu'un seul ou plusieurs éléments 'de circuit «••: "l'emballage" plat précité comporte;, comme élément constitutif principal, une plaque isolante destinée au monta#, àe le sous-couche semi-conductrice ainsi que plusieurs conducteurs et 30 un us.±>ot destliiu à rendre ét anches à la fois la sous-couche et la plaque isolante. De ce fait» il existe encore de la place pour un autre élément d'amélioration destiné à faire aboutir à l'extérieur le conducteur de référence et à faciliter le rayonnement de la chaleur, etc. 35 les électrodes se trouvant sur la sous-couche semi-condue trice sont habituellement en aluminium tandis que l'on obtient la soudure de la sous-couche à la plaque de support métallique en utilisant de l'or, les connecteurs sont en fil fin d'aluminium ou d'or, le contact entre l'or et l'aluminium forme un alliage dur 40 et fragile ( ce que l'on appelle "purple plague" ou "black plague" BAD ORIGINAL 69 01677 2 J00090.G dans la technique anglo-saxonne), qui produit des effets défavorables sur l'élément de circuit, par exemple des effets nuisibles tels qusune rupture de la connexion du fil fin'de: connexion , une séparation de la couche constituant l'électrode, et une augmenta-5 tion de la résistance ohmique à la partie de contact. G8est pourquoi la présente invention, a pour objet une nouvelle structure de borne ou de sortie d'électrode. Suivant la caractéristique de la présente invention, la demanderesse a créé une structure d'électrode perfectionnée des-•jO tinée à un dispositif semi-conducteur à circuits intégrés.- Suivant une autre caractéristique de la présente invention, la demanderesse a créé un pi'océdé pour monter la sous-couche semi-conductrice munie .d'éléments de circuit sur la plaque isolante a5 un "emballage" ou "enceinte" plat, de manière à favoriser"*le 15 rayonnement de la chaleur à partir de la sous—couche» - Suivant une autre, caractéristique encore de la présente lèvention, la demanderesse a créé une structure de sortie d'électrode qui n'est pas sujette auait phénomène de fermentation d5un alliage dur ou fragile (appelé "purple" plague" ou '"black plague'1 candie mentionné oi-dessus) cjue-.l'Oii observe■ entr- OonJormémenfc à un mode de réalisation de la présente in-"•3ntioi:5 afin dJohtenir les caractéristiques précitées,, la plaque supportant le métal que l'on utilise comporte une couche d'or £3 dans une partie tandis qu'une couche d' aluminium - se. trouve dans ur-e autre partie séparée de la couche d!cr, et la sous-couehe semi-conductrice est soudée à la couche d'or, la plaque de métal rnurnc de? la sous-couche est montée sur mie plaque de.-support isolante. la couche d'aluminium et la couche-électrode extérieure de 30 sortie sont reliées par le mince fil d'aluminium.' Conformément à un autre mode de réalisation, l'électrode de sous-couche, les fils de connexion et la matière servant à la soudure sont tous en or. la plaque métallique de support, sur laquelle est soudée la sous-couche, est unie par fusion à une couche 35 de verre dans une cavité déterminée sur la surface d'unisupport isolant. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre du mode de réalisation préféré, faite en référence au dessin annexé 40 sur lequels 3AD ORIGINAL 69 01677 3 2000900 la fig. 1 est une vue de dessus d'un-, dispositif semiconducteur à circuits intégrés conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention; la fig. 2 est une coupe du dispositif de circuit ci-5 dessus faite par II-II de la fig. 1 ; la fig. 3 est une coupe du dispositif de circuit ci-dessus faite par III-III de la fig. 1 ; les fig. 4a à 4g sont des coupés montrant la suite régulière des phases de fabrication d'une plaque de métal utilisée 10 dans le circuit de la fig. 1 ; les fig. 5a à 5c sont des coupes montrant une variante du procédé de fabrication représenté sur les fig. 4a à 4c ; la fig. 6 est une coupe de la structure de sortie d'électrode conforme à un autre mode de" réalisation de la présente in-15 vention ; les fig. 7 et 8 sont des coupes montrant des exemples de dispositifs semi-conducteurs à circuits intégrés qui bénéficient des avantages procurés par l'application de la présente invention. On va expliquer un premier mode de réalisation de la 20 préseniw-invention en se référant aux fig. 1 à 3, où. est représenté un dispositif semi-conducteur à circuits intégrés du type à "emballage" plat. Le dispositif de circuits comprend une plaque isolante 1 comportant une surface principale sur laquelle est formé un revêtement de verre 2, une-plaque métallique 3 montée sur 25 le revêtement de verre 2 dans une cavité 10 formée dans ladite surface principale, une sous-couche semi-conductrice 6 reliée à la plaque métallique 3 par l'intermédiaire d'unepremière couche métallique 4 formée sur une première partie de la surface de ladite plaque métallique 3, plusieurs conducteurs de sortie 8 disposés 30 sur le revêtement de verre 2 et s'étendant hors de la surface principale (des conducteurs particuliers ont été référencés par un chiffre suivi d'unelettre), un fil métallique de connexion 7r reliant une seconde partie d#ladite sous-couche et une borne ou conducteur de potentiel de référence 8r par l'intermédiaire d'une 35 seconde couche métallique 5 formée sur une seconde partie de la plaque métallique précitée 3, plusieurs électrodes 9 sur la sous-couche 6 destinées à plusieurs éléments de circuit qui sont formés dans ladite surface principale de la sous-couche 6 de manière à constituer un circuit fonctionnel (des électrodes particulières ont 40 été référencées par un chiffre suivi d'une lettre), des fils de 69 01677 4 2000900 connexion 7 reliant les électrodes 9 aux électrodes 8 (des fils de connexion particuliers ont été référencés par un chiffre suivi d'une lettre) et, enfin, un capot, non représenté, monté sur la surface de ladite plaque isolante 1 de manière à rendre étanche 5 la sous-couche 6. Dans la structure ci-dessus, la sous-couche semi-conduc-trice 6 représente des sous-couches telles que les sous-couches 71 et 91 illustrées sur les figo 7 et 8, où sont intégrée de nombreux éléments de circuit. Les secondes surfaces principales 83 10 et 100 , qui ne comportent aucun élément de circuit et qui sont disposées à l'opposé des premières surfaces principales, sont placées de manière, à être en contact avec la première couche métallique 4. Les surfaces des secondes surfaces principales 83 et 100 sont reliées au conducteur 8r au moyen de la première couche 15 métallique 4, de la plaque métallique 3, de la seconde couche métallique 5 et du fil de connexion 7r . En pratique, les conducteurs 8a et 8b peuvent être courbés vers le bas, comme représenté en traits mixtes sucla fig. 3. La structure de sortie mentionnée ci-dessus présente 20 l'avantage suivant. La sous-couche 71 , de type ÎJ, en silicone par exemple, représentée sur la fig. 7 et donfcla surface est recouverte par une pellicule isolante 72 (par exemple en oxyde de silicium) comprend, d'urapart, un premier transistor à effet de champ , du type MOS (métal-oxyde-semi-conducteur), comprenant une région 25 de cathode diffusée 73, du type P, une région d'anode diffusée 74» du type P, une électrode de cathode 77, une électrode de commande ou porte 78 et une électrode d'anode 79 et, d'autre part, un second transistor à effet de champ Tg » du type MOS, comprenant une région de cathode diffusée 75, du type P, une région d'anode 30 diffusée 76, du type P, une électrode de cathode 80, une électrode de commande ou porte 81 et une électrode d'anode 82. Les électrodes de cathode 77 et 80 mettent respectivement en court-circuit les régions de cathode 73 et 75 avec la sous-couche 71. Si on doit monter l'électrode ou borne destinée à la sous-couche 71 sur 35 la partie de surface en perforant la pellicule d'oxyde 72, il est alors difficile, du point de vue de la conception, de rendre égales les distances séparant l'électrode de sous-couche et les électrodes de cathode 77 et 80. La différence des distances crée des JCésistances électriques différentes le long des parties cor-40 respondantes de la sous-couche . Ainsi, les courants circulant 69 01677 5 2000900 dans la sous-couche 71 , depuis chaque électrode d© cathode jusqu'à l'électrode de sous-couche9 donnent naissance à un gradiant électrique de potentiel. Bien que, sur la fig. 7, on n'ait représenté que deux transistors et Tg afin de ne pas surcharger, le dessin9 5 on utilise, le cas échéant, de nombreux transistors MOS pour former un enregistreur à décalage à circuits intégrés. Dans ce cas, la présence d'un tel gradient de potentiel est néfaste du point de vue fonctionnel, car il fait varier la tension de polarisation des transistors MOS. Par ailleurs, dans la présente invention, du « 10 fait que les distances séparant l'électrode de sous-couche 3 (et 4), montée sur la seconde surface principale 83, et les électrodes de cathode 77 et 80 sont sensiblement égales, le gradient de potentiel apparaît rarement dans la sous-couche 71. Bien qu'il sem-tîe que l'on puisse obtenir le même avantage en reliant directe-15 ment les fils 7 à chacune des électrodes 77 et 80 et en les faisant aboutir à l'électrode de sortie 8, il peut ne pas être excessif de dire qu'un tel procédé est pratiquement impossible lorsque de nombreux transistors MOS sont formés dans la surface de la sous-couche 71. 20 On va maintenant expliquer la figure 8 qui montre un dispositif à circuits intégrés réalisé dans la sous-couche 91• La première surface principale de la sous-couche 91 » de type P, par exemple en silicium, est recouverte par une pellicule d'oxyde de silicium 92. Un transistor bipolaire T^q du type KPH, comprend une 25 région de collecteur 101, du type H, dont la croissance est effectuée de façon épitaxiale, une région de base diffusée 102, de type Pf et une région d'émetteur diffusée 103, de type N, est formée dans ^première surface principale. Une diode D^q , du type NP, constituée par une région 105, de type N, et une région 104, de 30 type P, est aussi fornée électriquement et séparément à partir du transistor bipolaire dans la surface principale. L'association du transistor et de la diode D^q est utilisée pour un circuit logique diode-transistor. La seconde surface principale 100 de la sous-couche 91 est reliée, directement ou indirectement à la plaque 35 de métal 3, qui présente une bonne conductivité thermique et qui a une surface relativement importante,, ce qui fait que la chaleur engendrée dans le transistor et dans la diode D^q se dissipe plus efficacement que dans le cas où il n'existe par une telle plaque de métal 3* 40 Dans Jf.mode de réalisation ci-dessus, par exemple, 69 01677. 6 2000900 la plaque. métallique 3 est en nickel ou en alliage Fe-Ki-Co, la première couche métallique 4 est de l'or ou de l'argent, la seconde couche métallique 5 est de l'aluminium, le conducteur est en alliage Fe-li-Go comportant une couche superficielle d'aluminium, et le 5 fil de connexion 7 ainsi que l'électrode 9 sont en aluminium. Cette constitution convient si la sous-couche semi-conductrice est en silicium. On peut, si besoin est, plaquer d'or la surface du conducteur en aluminium dans la partie ne comportant pas de fil de connexion. Si on applique le placage d'or à la partie où. existe 10 le fil de connexion, il se forme un alliage ou composé Au-Al, fragile du point de vue mécanique, lorsqu'on unit l'or et 1'aluminium par compression en présence de chaleur (thermo-compression) et des influences néfastes se manifestent sur la fiabilité du dispositif semi-conducteur. C'est pour cette raison que l'on forme séparément, 15 sur la plaque métallique 3, la première couche métallique en or et la seconde couche métallique en aluminium. La sous-couche de silicium 6 est raccordée fermement à la plaque métallique 3, par l'intermédiaire de l'eutectique Au-Si formé à l'aide de la première couche métallique en or. Le fil en aluminium 7r relie le conducteur 20 d'aluminium 8r à la couche d'aluminium 5. De ce fait, on obtient une connexion de sortie qui n'est pas sujette à la formation d'un alliage ou composé nuisible j&u-Si. Il est important dans la présente invention, que les couches d'or et d'aluminium 4 et 5 soient formées séparément sur la plaque métallique 3» Il est aussi recommandé, 25 afin d'augmenter la fiabilité du dispositif semi-conducteur, que l'électrode 9» en aluminium, se trouvant sur la sous-couche 6, soit reliée au conducteur 8, en aluminium, par le fil 7,en ^aluminium. Il va de soi que l'explication ci-dessus est purement illustrative. Sur la fig. 6, par exemple, si sur la plaque métal-30 lique 63 on forme une couche métallique 64, avec une sous-couche semi-conductrice 66 et un fil de connexion en or 67r qui y sont fixés, la divisioç. de la couche métallique devient inutile. Dans cette variante de réalisation de la fig. 6, la couche métallique 63, par exemple en nickel, est disposée sur la couche de verre 62 35 recouvrant la plaque isolante 61, une seule couche métallique 64, par exemple en or, étant disposée sur la surface de la plaque métallique 63. On va maintenant expliquer, en se référant aux fig. 4a ■ à 4g t un procédé simple pour fabriquer la plaque de métal utilisée 40 69 01677 7 2000900 pour la structure de sortie d'électrode conforme aux modes de réalisation ci-dessus. Tout d'abord, comme représenté sur la fig. 4a, on prépare une plaque 41 en "Covar" (marque déposée de l'allia ge Fe-Ni-Go) dont la surface est recouverte par line couche d'alu-5 minium 42. On dispose sur différentes parties de la couche d'aluminium, comme représenté sur la fig. 4d, des couches de photo-résist 43a et 43b telles que du "KPR" (marque déposée d'un produit fabriqué par la Compagnie Kodak). On attaque sélectivement à l'acide la couche d'aluminium en utilisant, comme masque, les couches -jO de photorésist 43a et 43b, en laissant les premières et les secondes couches d'aluminium 42a et 42b, sur la plaque 41, de "Covar", comme représenté sur la fig. 4c. Ensuite, on plaque sélectivement avec de l'or la plaque de "Covar", les couches de photorésist restantes 43a et 43b servant de masque, grâce à quoi on 15 obtient une plaque de "Covar" 41 comportant des couches d'or 45a, 45b, des couches d'aluminium 42a et 42b recouvrant la surface, comme on peut le voir sur la fig. 4d. On enlève les couches de photorésist 43a et 43b (fig. 4e). On ferme des rainures 46 et 47 aux limites entre la couche d'or 45a et la couche d'aluminium 42a 20 et entre la couche d'or 45b et la couche d'aluminium 42b, respectivement, grâce à quoi on sépare ces couches comme représenté sur la fig. 4f- Enfin, on découpe à la presse la plaque de "Covar" 41 le long de la flèche 48, ce qui fait que l'on obtient plusieurs plaques de "Covar" 41a, 41b, et 41ç sur lesquelles sont formées 25 des couches d'aluminium et d'or. Bien entendu, ces plaques de "Covar" peuvent être utilisées, en fait, comme plaque métallique 3 représentée sur la fig. 1. On va donner une explication d'une variante du procédé de fabrication ci-dessus en se référant aux fig. 5a à 5c, sur 30 lesquelles les mêmes références désignent les mêmes parties que celles représentées sur les fig. 4a à 4g. Après la phase représentée sur la fig. 4ç, on chauffe le corps à une température comprise entre 90° et 120°G. De ce fait, les couches.de photorésist 43a, 43b se ramollissent de manière à .ainsi - - 35 recouvrir/les faces latérales des couches d'aluminium 42a et 42b, comme représenté sur la fig. 5a. Ensuite, comme représenté sur la fig, 5c, on dépose de l'or, par évaporation ou placage, sur la surface découverte ou exposée de la sous-couche 41 et on enlève les couches de photorésist 43a et 43b, en obtenant ainsi une 40 structure telle que celle représentée sur la fig. 5c» On découpe 69 01677 8 2000900 la plaque de "Covar" 41 le long de la flèche 48 et on obtient plusieurs plaques de "Covar" séparées 41a, 41b, 41c, d'une façon similaire à celle du procédé mentionné ci-avant» la plaque de métal ci-dessus est utilisée comme support 5 de la sous-couche semi-conductrice dans les phases de fabrication, le procédé permettant d'obtenir la structure représentée sur la fig» 2 est le suivant. Tout d'abord, on dispose une sous-couche de silicium 6 sur la couche d'or 4 se trouvant sur une plaque métallique chauffée 3» Une couche eutectique Au-Si se forme entre la 10 couche d'or 4 et la sous-couche de silicium 6, ce qui fait que la sous-couche 6 se trouve fermement unie à la plaque métallique 3« On place la plaque de support métallique 3 munie de la sous-couche semi-conductrice 6 dans une cavité 10 se trouvant dans une plaque de support isolante chauffée 1 et on l'unit fermement à la plaque 15 -de support 1 au moyen d'une couche de verre fondu 2. On raccorde des fils de connexion 7 aux parties prescrites, comme représenté sur la fig. 1. Ensuite, on place et on fait fondre sur la plaque de support 1 vin couvercle en matière isolante correspondant à la cavité 10 et comportant une large surface, de manière à enfermer 20 ou loger la couche métallique 3 et la sous—couche senii—coiiductï'ice 6. De ce fait, on peut enfermer hermétiquement dans l'enceinte ou "récipient" isolant la sous-couche semi-conductrice 6. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et 25 que des variantes peuvent y être apportées sans sortir pour autant du cadre général de la présente invention» OfîiGiN^i, 69 01677 9 2000900 REVBiroiGATIONS Dispositif à semi-conducteurs caractérisé par le fait qu'il comprend : (a) une plaque ou sous-couche isolante comportant une surface principale, (b) plusieurs conducteurs de sortie disposés sur ladite surface principale de la sous-couche précitée et 5 s*étendant hors de cette surface principale, (c) une plaque de métal montée sur la surface principale précitée de ladite plaque isolante, (d) une sous-couche semi-conductrice comportant une première et une seconde surface principale, au moins un élément de circuit et plusieurs électrodes métalliques reliées à ce dernier 10 étant formés dans ladite première surface principale et la seconde surface principale précitée étant reliée à une première partie de la surface de la plaque de métal susvisée, (e) un premier dispositif de connexion reliant électriquement à l'un desdits conducteurs une seconde partie de la surface de ladite plaque de métal qui est 15 différente de ladite première partie, (f) un second dispositif de connexion reliant électriquement les électrodes individuelles précitées au conducteur restant correspondant. 2.- Dispositif à semi-conducteurs suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la surface principale mention-20 née en premier de ladite plaque isolante est recouverte par une couche de verre et par le fait que lesdits conducteurs et la plaque de métal précitée sont disposés sur la couche de verre sus-visée . 3«- Dispositif à semi-conducteurs suivant la revendica-25 tion 1, caractérisé par le fait que la première partie de la surface de ladite plaque de métal est recouverte par une première couche métallique tandis que ladite seconde partie est recouverte par une seconde couche métallique, la sous-couche semi-conductrice précitée ainsi que le premier dispositif de connexion susvisé 30 étant reliés à la surface de ladite plaque de métal par l'intermédiaire des première et seconde couches métalliques, respectivement. 4.- Dispositif à semi-conducteurs suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que la sous-couche semi-conductrice 35 est du silicium, que la première couche métallique est de l'or, que la seconde couche métallique est de l'aluminium et que le pre-• mier dispositif de connexion est un fil d'aluminium. 69 01677 10 2000900 5.- Dispositif à semi-conducteurs suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que la sous-couche semi-conductrice précitée est du silicium, que la première et la seconde couches métalliques sont constituées, de façon continue, par de l'or, 5et que le premier dispositif de connexion est un fil d'or. 6.- Dispositif à semi-conducteurs caractérisé par le fait qu'il comprend : (a) une plaque ou sous-couche isolante comportant une surface principale, (b) une couche de verre à bas point de fusion/^tÎ^^Sis sur unepartie de ladite surface principale de •jola sous-couche susvisée, (c) plusieurs conducteurs de sortie disposés surladite couche de verre et s'étendant hors de la surface principale précitée, (d) une plaque de métal formée sur la surface de ladite couche de verre, (e) une première couche métallique formée sur une première partie de la surface de ladite plaque de mental, (f) une sous-couche semi-conductrice comportant une première et une seconde surfaces principales, plusieurs êLéments de circuit et plusieurs électrodes métalliques étant formés dans ladite première surface principale et ladite seconde surface principale de la sous-couche précitée étant reliée à la plaque de métal par 201'intermédiaire d» la,première couche métallique, (g) une seconde couche métallique formée sur une seconde partie de la surface de la plaque métallique précitée qui est différente de ladite première partie, (h) un premier fil métallique de connexion reliant la seconde couche métallique à au moins l'un desdits conducteurs, (i) 25plusieurs seconds fils métalliques de connexion reliant lesdites électrodes aux conducteurs restants correspondants. 7.- Dispositif à semi-conducteurs suivant la revendication 5» caractérisé parle fait que les électrodes, les conducteurs, la seconde couche métallique et les premier et second fils métalli- 30ques de connexion précités sont en aluminium, que ladite sous-couche est en silicium et que la première couche métallique est de l'or.