Brevet FR2011513A1 — publié le 19700306

i 2011513 La présente invention concerne la fabrication des dispositifs semi-conducteurs comportant un motif d'interconnexion électrique formé d'une couche métallique de forme appropriée revêtu d'une couche isolante, et plus particulière-5 ment les techniques permettant de décaper sélectivement la couche isolante supérieure. La fabrication des dispositifs semi-conducteurs et notamment des circuits intégrés, nécessite fréquemment la réalisation de contacts électrique et/ou d'interconnexion 10 entre les diverses régions fonctionnelles du ou des éléments semi-conducteurs associés, par dépôt d'une couche métallique, puis décapage selon un motif prédéterminé. Les techniques appliquées actuellement à la fabrication des semi-conducteurs nécessitent le dépôt d'une couche mé-15 tallique, généralement de l'aluminium, par un procédé d'évapora-tion. La couche métallique est ensuite modelée par photogravure en effectuant successivement les opérations suivantes : 1/ Revêtement de la couche métallique d'une réserve photographique, 20 2/ Polymérisation de zones prédéterminées de la réser ve pour les rendre insolubles dans une solution de développement donnée, 3/ Traitement de la réserve photographique avec la solution de développement pour éliminer les zones non polymérisées, 25 4/ Traitement de la couche métallique sous-jacente mise à nu par le développement à l'aide d'une solution de décapage vis-à-vis de laquelle la réserve est relativement résistante. Ce procédé classique de décapage du métal est cependant 30 limité lorsque l'on désire obtenir des mot-ifs linéaires extrêmement fins, par exemple des motifs dont la largeur de ligne est de l'ordre du centième de millimètre. Pour de telles dimensions le décapage de la couche métallique sous la réserve pose un problème grave. Cette difficulté est accrue par l'adhérence 35 relativement médiocre de la réserve sur la couche métallique. Les techniques actuellement utilisées comportent une phase de traitement thermique au cours de laquelle la couche métallique est passée au four avant application de la réserve pour améliorer 69 19175 2 2011513 l'adhérence de cette dernière. L'amélioration apportée par ce passage au four est cependant limitée et le décapage de la couche métallique sous la réserve continue de poser un problème grave. 5 Une autre difficulté présentée par le décapage de motifs dont la résolution doit être précise est due à la résistance relativement médiocre de la réserve photographique à la solutiQn. Il s'ensuit que le décapage par lots n'est pas réalisable car les plaquettes de semi-conducteurs comportant des couches métalli-10 ques d'épaisseur variable nécessitent des temps de décapage différents (une épaisseur de couche métallique absolument uniforme n'est pas réalisable en fabrication en série). Si l'on immerge tout un lot de semi-conducteurs dans une solution de décapage pendant le temps nécessaire à l'élimination de la couche 15 métallique la plus épaisse, les autres couches métalliques risquent d'être décapées à l'excès, en profondeur et latéralement sous la réserve. Un autre problème inhérent aux procédés connus de décapage métallique réside dans la précision limitée de la définition 20 que l'on peut obtenir du fait de la gradation de l'épaisseur de la réserve aux bords du motif. Une solution à ces problèmes consiste, immédiatement après dépôt de la couche métallique à décaper pour constituer les interconnexions, à la revêtir d'une couche isolante de pro-25 tection. La couche isolante est ultérieurement décapée en un motif correspondant aux interconnexions désirées, de sorte que cette couche peut servir de masque pour l'opération suivante de décapage. Ultérieurement, une autre couche de matière isolante est déposée pour protéger la plaquette du circuit intégré, puis 30 décapée pour mettre à nu les parties de la couche métallique sous-jacente devant servir de patte de fixation pour les connexions externes au circuit intégré. L'élimination sélective de certaines parties de la couche isolante pour mettre à découvert les zones de la couche métal-35 lique sous-jacente correspondant aux pattes a fréquemment révélé à l'examen qu'un certain nombre de parties de la couche métallique et même les pattes de connexion, étaient fortement détériorées ou totalement détruites par la solution de décapage, alors que 69 19175 3 2011513 d'autres zones de fixation ne subissaient pas d'altération sensible. La présente invention a donc pour objet un procédé et une composition améliorés pour le décapage d'une couche isolante 5 servant à mettre à nu les zones de la couche métallique sous-jacente servant de pattes de connexion sans détérioration de ces dernières. Selon l'invention une couche isolante surmontant une couche métallique dont certaines parties sont situées à des 10 potentiels électi'ochimiques différents, est décapée chimiquement à l'aide d'une solution sensiblement non conductrice de l'électricité. Dans une forme de l'invention, la solution de décapage est sensiblement anhydre et comprend de l'acide fluor-hydrique, un agent tampon et une substance organique capable 15 d'absorber l'eau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux à l'aide de la présente description et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en plan d'un circuit intégré 20 recouvert d'une couche isolante de protection; - la figure 2 est une coupe à travers l'une des pattes de connexion du circuit de la figure 1; - les figures 3 à 9 illustrent différentes étapes intermédiaires de la fabrication d'une diode planaire selon la pré- 25 sente Invention. Le circuit intégré 20 de la figure 1 comprend une plaquette en semi-conducteur sur laquelle sont disposées péri-phériquement un certain nombre de pattes de connexion 21, en aluminium. Un réseau 22 (non représenté) d'éléments semi-30 conducteurs interconnectés électriquement est réalisé au centre de la plaquette. Chacune des pattes de connexion 21 est connectée électriquement à une région différente d'un élément du réseau 22. Les pattes 21 et les interconnexions métalliques du 35 circuit intégré 20 sont réalisées au moyen d'une couche d'aluminium déposée 23 (voir figure 2) qui assure le contact électrique avec les divers éléments du réseau 22 à travers des trous pratiqués dans une couche isolante de silice 2k bad original' 69 19175 4 2011513 déposée sur la surface du semi-conducteur. La couche métallique d'interconnexion 23 est recouverte à son tour d'une couche isolante 25 de silice vitreuse. Au cours de la fabrication du circuit intégré 20, les 5 éléments du réseau 22 sont réalisés par les techniques classiques de diffusion planaire à l'aide d'un masque de diffusion en silice obtenu par croissance thermique. La couche d'aluminium 23 est déposée et ultérieurement décapée pour obtenir le motif d'interconnexion désirée. 10 Pour protéger des éraflures et autres détériorations la couche d'aluminium 23 qui est relativement mince et mollet il est souhaitable delà recouvrir d'une couche vitreuse isolante 25. La couche 25 est ensuite décapée pour former des trous 26 mettant à nu chacune des pattes de connexion 21 pour permettre la 15 fixation des connexions électriques vers l'extérieur du circuit intégré 20, Jusqu'ici une telle structure a été irréalisable di fait de la destruction partielle ou totale de certaines des pattes 21 au moment où la couche isolante 25 est soumise à l'action de la solution de décapage. 20 Les solutions de décapage utilisées jusqu'ici pour enlever sélectivement la couche vitreuse isolante 25 au-dessus des pattes 21, étaient un mélange d'acide fluorhydrique et d'un agent tanpon approprié, tel que le fluorure d'ammonium. Lorsque la solution de décapage a éliminé la partie voulue de la couche 25 et 25 entre en contact avec la surface métallique sous-jacent^ de la patte 21, il s'établit des effets de corrosion électrochimique ou de "pile" entre les diverses pattes 21 dont certaines, dont les potentiels électrochimiques sont plus élevés, sont rapidement attaquées et détruites, La forte conductlvité électrique de la 30 solution d'acide fluorhydrique tamponnée accélère ce processus. La couche vitreuse isolante 25 du circuit intégré 20 pouvant avoir des épaisseurs variables au-dessus des différentes pattes de connexion, il est impossible d'arrêter le processus de décapage au moment précis où les surfaces des pattes sont 35 mises à nu car cet instant varie dans le temps d'une patte à 1'autre„ Les différences de potentiel électrochimique entre les diverses pattes 21 sont dues au fait que chacune des pattes de connexion est reliée à une partie différente du circuit intégré qui est elle-même associée à différentes^régions du semi 69 19175 K 2011513 5 conducteur séparées par une ou plusieurs jonctions P-N à chacune desquelles est associé un potentiel électrochimique particulier. La Demanderesse a découvert que le décapage chimique 5 de la couche vitreuse Isolante 25 peut être réalisé sans détérioration aucune des pattes métalliques sous-jacentes 21 à l'aide d'un décapant sensiblement non conducteur de l'électricité. La haute résistivité d'une telle solution de décapage élimine pratiquement tous les effets nuisibles de corrosion électro-10 chimique mentionnés plus haut. La solution non conductrice de décapage est notamment constituée par un mélange d'acide fluorhydrique, d'agent tampon tel que le fluorure d'ammonium et d'une substance organique capable d'absorber l'eauj de bons résultats ont été obtenus avec des 15 acides organiques, des alcools, le glycol ou le glycérol. Une telle solution de décapage est utilisable sur divers types de verre allant du verre au borosilicate au verre siliceux. La solution de décapage convient à divers types de métaux sous-jacents, parmi lesquels l'aluminium, le nickel, le cuivre, l'or, le fer, 20 le tantale, l'argent, le titane ou leurs divers alliages. La fabrication d'une diode épitaxiale planaire 30 au silicium commence par la diffusion d'une région 1 du type P dans une couche épitaxiale 2 de silicium de type V obtenue par croissance sur un substrat 3 de silicium de type N+ comme 25 illustré à la figure 3. L'opération de diffusion s'effectue de manière classique dans la technologie des semi-conducteurs, c'est-à-dire par croissance thermique d'une couche 4 de silice sur une couche épitaxiale 2, par élimination sélective de la couche 4 par 30 photogravure pour mettre à nu une région 5 de la surface du semiconducteur, par dépôt d'une matière contenant l'impureté acceptrice appropriée, telle qu'un verre au borosilicate, sur la surface découverte de la couche épitaxiale 2, et enfin par chauffage du corps semi-conducteur pour diffuser l'impureté 35 acceptrice (le bore) dans la couche épitaxiale 2, afin de former la région de type P désirée. De même, un dopant approprié permet d'obtenir une région de contact 16 de type N+ dans la couche 2 de type N. Les couches 4 et 6 de silice sont ensuite traitées par photogravure pour 69 19175 g 2011513 mettre à nu certaines zones de la région 1 de type P et de la région 2 de type N (par exemple la région 16 de type N+ de cette dernière) comme illustré à la figure 4. L'opération suivante du processus est illustrée à la 5 figure 5 et consiste à évaporer un film d'aluminium 7 sur la totalité de la surface supérieure de la plaquette de semiconducteur. Le film d'aluminium 7 peut avoir une épaisseur de l'ordre de 1 à 2 microns. La couche métallisée 7 peut être réalisée à partir d'autres matières appropriée telle que le 10 nickel chimique en combinaison avec d'autres métaux. La couche d'aluminium 7 est immédiatement recouverte d'une nouvelle couche protectrice 8 de silice déposée par pyrolyse. La couche 8 a une excellente adhérence sur la couche d'aluminium sous-jacente 7. La dureté de la couche de silice 8 15 protège des éraflures ou autres dommages mécaniques provoqués par les manipulations ultérieures, la couche d'aluminium 7 qui est relativement mince et molle. La couche de silice 8 est déposée en phase gazeuse par réaction dans un mélange de silane (SiH^), d'oxygène (02) et 20 d'hydrogène (Hg) qui est le gaz porteur, à une température comprise entre 280 et 400°C, et de préférence entre 350 et 370°C. L'épaisseur de la couche de silice 8 est de l'ordre de 0,3 à 0,4 micron, comme représenté à la figure 6. L'opération suivante du procédé consiste à déposer sur 25 la surface de la couche protectrice 8 un revêtement 9 de matière photopolymérisable, par exemple une réserve photographique vendue par la Compagnie Eastman Kodak et connue sous les références KTFR et KPR. La réserve photopolymérisable 9 est ensuite polymérisée 30 sélectivement par exposition à une source d'UV ou toute autre source de radiation actinique. Dans la structure de la figure 7 on désire n'éliminer que la zone de la couche métallique 7 qui recouvre la partie 10 de la couche de silice sous-jacente. Pour ceci, une radiation actinique est appliquée au revêtement 35 9 à travers un masque photographique approprié, de manière à polymériser la totalité du revêtement 9 recouvrant la couGhe métallique 7, à l'exception de la zone recouvrant la partie 10 de la couche de silice. La réserve polymérisée est insoluble 69 19175 7 2011513 dans la solution de développement qui peut être,dans le cas des réserves Kodak KTFR ou KPR,une solution de développement KMER suivie d'une solution de développement KPR. La réserve exposée 9 est ensuite immergée dans la solu-5 tion de développement convenable pour éliminer la zone recouvrant la partie 10 de la couche de silice. Pendant le développement, le film de silice 8 protège la surface métallique. 7 contre toute détérioration. Après développement, la couche de réserve polymérisée 9 10 constitue un masque de décapage pour former un trou 11 dans la couche 8 de silice, au moyen de la solution de décapage (sensiblement non conductrice de l'électricité) composée de 2,66 kg de fluorure d'ammonium à 40# (en poids), de 0,454 kg d'acide fluorhydrique à 49,3$ (en poids) et de 1,4 litre 15 d'acide acétique glacial à 100$. La plaquette est ressortie de la solution de décapage lorsque le trou 11 a été formé. Il n'est pas souhaitable d'employer pour l'élimination de la partie de la couche métallique 7 mise à nu par le trou 11, une solution classique de 20 décapage conductrice de l'électricité, car cette dernière produit une importante corrosion sous la couche protectrice. La figure 7 représente ce stade de la fabrication du dispositif semi-conducteur. Après rinçage à l'eau désionisée, la plaquette de smi-25 conducteur est immergée dans une solution de décapage composée d'un mélange d'acides nitrique et phosphorique du type vendu par la Compagnie Nitine Inc., Whippany, New Jersey. Cette solution de décapage qui est maintenue à une température de l'ordre de 40-43°C, élimine la partie de la couche métallique 30 7 mise à nu par le trou 11, mais n'a pas d'effet pratique sur la couche de silice 8 qui résiste chimiquement au mélange d'acide nitrique/phosphorique. Si nécessaire, la couche de réserve 9 peut être éliminée par immersion dans une solution appropriée telle que celle qui est vendue sous la désignation 35 J-100 par les laboratoires Industrial-Richera, Texas, avant l'opération de décapage de la couche métallique. La couche de silice 8 n'étant pas attaquée par la solution de décapage utilisée pour l'élimination de la réserve 9, protège également 19175 8 2011513 pendant cette phase du traitement la couche sous-jacente J. La solution d'acides nitrique et phosphorique mentionnée précédemment décape une épaisseur de 1,6 micron d'aluminium en 5 minutes environ. La couche de silice 8 qui sert de masque de décapage adhère fortement à la couche métallique ce qui élimine sensiblement toute attaque latérale. L'emploi de la couche de silice 8 comme masque de décapage, permet la fabrication aimultanée d'un certain nombre de plaquettes de semiconducteurs, dont les couches métalliques 7 ont des épaisseurs 10 variables,en une seule opération de décapage. Les parties de couche d'aluminium J en contact avec la surface découverte de ma région 1 de type P et de la région 16 de type N+ sont "alliées" à la surface du semi-conducteur pour constituer un bon contact ohmique, par chauffage de la plaquette 15 à une température de l'ordre de 530 à 550°C pendant une durée approximative de 16 minutes. Après élimination de la réserve 9 et alliage de la couche d'aluminium 7, une nouvelle couche de silice 12 (voir figure 8) est déposée par pyrolyse sur toute la surface de la 20 plaquette de semi-conducteur. Ce film de silice peut être déposé par réaction en phase gazeuse du silane et de l'oxygène comme décrit précédemment, jusqu'à une épaisseur de l'ordre de 0,7 micron. Une nouvelle couche de réserve 13 est ensuite appliquée £5 à la surface du film de silice 12. La réserve 13 qui peut également être une réserve Kodak KTPR ou KPR, est ensuite exposée et développée pour y pratiquer des ouvertures servant de masque de décapage( à l'aide de la solution précédemment mentionnée d'acide fluorhydrique tamponnée) dans les couches de silice 8 30 et 12, pour permettre l'application des électrodes dans les ouvertures de ces dernières. Le dispositif semi-conducteur est représenté à la figure 8 après dépôt de la réserve 13. Après décapage des parties voulues des couches de silice 12 et 8 à l'aide de la solution d'acide fluorhydrique tamponnée 35 (non conductrice) pour mettre à nu les parties voulues de la couche d'aluminium sous-jacente 7 destinée à servir de patte pour les connexions de sortie de' la diode, on constate que ces zones n'ont subi aucune détérioration notable du fait de 19175 9 2011513 l'immersion dans la solution de décapage. Bien que le déeapage des couches de silice 12 et 8 prend généralement 3 à 5 minutes, aucune détérioration notable des zones constituant les pattes de connexion n'a été constatée, malgré des immersions allant jusqu'à 10 minutes dans la solution de décapage. Le reste de la couche de réserve 13 servant de masque de décapage-pour pratiquer les ouvertures 14 et 15 dans les couches de silice 8 et 12, est éliminé de la manière décrite, puis la plaquette est nettoyée et rincée. Les conducteurs de sortie (non représentés) peuvent alors être soudés aux ultrasons sur les pattes d'aluminium accessibles par les ouvertures 14 et 15. La figure 9 montre la diode épitaxiale planaire obtenue. La couche de silice 8 sert à protéger la couche d'aluminium sous-jacente 7 de la détérioration chimique et mécanique pendant pratiquement toutes les phases du traitement suivant son évaporation. Il va de soi que l'invention décrite est susceptible de nombreuses modifications ou applications sans sortir de son cadre. 69 19175 1.0 2011513 i REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur comprenant les opérations suivantes : réalisation d'un substrat comportant plusieurs réglons de matière semi-conductrice formant 5 un certain nombre d'éléments semi-conducteurs, chaque élément ayant au moins une région de contact adjacent à la surface du-substrat, dépôt sur la surface du substrat d'une couche métallique comportant plusieurs zones de connexion reliées électriquement aux régions de contact des éléments semi-conducteurs cor-10 respondants, ledit procédé étant en outre caractérisé par les opérations suivantes : dépôt d'une couche isolante sur ladite couche métallique, décapage de la couche isolante au-dessus des zones de connexion à l'aide d'une solution appropriée de decapage pour éliminer sélectivement la zone isolante sans 15 détérioration sensible des zones de connexion sous-jacentes qui sont ainsi mises à nu, ladite solution de décapage étant sensiblement non conductrice de l'électricité, 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche isolante est vitreuse et en ce que la solution de 20 décapage est constituée par de l'acide fluorhydrique, un agent tampon et une substance organique capable d'absorber.l'eau, 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'agent tampon est du fluorure d'ammonium et en ce que la substance organique comprend un acide organique, un alcool, du 25 glycol ou du glycérol. 4. Procédé selon la revendication 3» caractérisé en ce que la solution est constituée par les proportions relatives suivantes des produits suivants : 0,454 kg de solution aqueuse d'acide fluorhydrique à 30 4j5# (en poids), 2,66 kg de solution aqueuse de fluorure d'ammonium à 40# (en poids), et 1,4 litre d'acide acétique glacial à 100JÈ. 5. Procédé selon la revendication 3» caractérisé en ce 35 que la couche isolante est en silice et en ce que la couche métallique est en aluminium. 11 ; 6, Solution de décapage chimique d'une couche isolante recouvrant une couche métallique dont certaines parties sont à des potentiels électrochimiques différents, caractérisée en ce qu'elle est sensiblement non conductrice de l'électricité. 5 7. Solution selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle est composée d'acide fluorhydrique, d'un agent tampon et d'une substance organique capable d'absorber l'eau. 8.Solution selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle est composée de : 10 0,454 kg de solution aqueuse d'acide fluorhydrique à 49,3# (en poids), 2,66 kg de solution aqueuse de fluorure d'ammonium à 40# (en poids),et 1 litre d'acide acétique glacial à 100#.