Brevet FR2036897A1 — publié le 19701231

La présente invention concerne les dispositifs semi-conducteurs dopés destinés à être utilisés en micro-électronique sous forme de plaquettes, pour permettre l'empilement des semi-conducteurs et de leurs circuits ainsi que d'autres formes de structures compactes. On a déjà eu recours au vide ou à des atmosphères inertes pour protéger de tels dispositifs semi-conducteurs de la contamination atmosphérique. Cependant, ce type de structure est massif car il exige uI empaquetage du semi-conducteur dans une enveloppe métallique ou tout autre dispositif analogue. D'autres moyens, tels que l'encapsulage du semi-conducteur dans un matériau du type plastique, ont été employés pour protéger la surface du semi-conducteur de la contamination par l'atmosphère ambiante. Cette derniere solution présente encore certains désavantages en ce qui concerne l'encombrement, en entraînant un revêment supplémentaire de l'ordre d'au moins 25 microns La présente invention résoud les difficultés qui résultent de 1 'encapsulage des plaquettes semi-conductrices, par l'emploi d'une couche beaucoup plus mince protégeant de l'atmosphère am- biante, comprenant une composition particulière de glaçure vitreuse ayant certaines propriétés très intéressantes lorsqu'elle est combinée à des matériaux semi-conducteurs et qui n'entraîne qu'une épaisseur de l'ordre de I à 3 microns pour la couche ainsi déposée On combine à cette glaçure un revêeent métallique déposé à température élevée pour assurer la connexion de la plaquette à un circuit électrique. La présente invention a donc pour but de fournir un semiconducteur métallisé et dopé revêtu d'une couche très fine d'une composition vitreuse, comportant un dépôt métallique doué de bonnes propriétés conductrices servant à établir les contacts avec le dispositif semi-conducteur. D'autres caractéristiques et avantages secondaires apparaltront de façon plus con:plèt.e dans la description ci-après de formes de réalisation de l'invention an référence aux dessins an annexe sur lesquels - la fig. I représente une coupe transversale d'une labelle de silicium dopée de type tr - la fig. 2 représente une coupe transversale d'une lamelle de silicium dopée de type N, recouverte d'une couche d'oxyde - la fig. 3 represente une coupe transversale d'une lamelle de silicium dopés de type N, recouverte d'une couche de matière photorésistance, masques et exposée à une lumière appropriée - la fig. 4 représente une coupe transversale d'une lamelle de silicium dopée d type N, comportant une fenêtre ouverte dans la surface de silicium por une opération ultérieure de dopage - la fig.5 représente une coupe transversale d'une lamelle de silöicium, sur laquelle a été déposé un dopant de type P - la fig. 6 représente une coupe transversale d'une lamelle de silicuim dopée, recouverte d'une couche de silice développée par croissance à partir du silicium - la fig.7 représente une coupe transversale d'une lamelle de silicium précédemment dopée des types N et P, dans laquelle a été ménage une supplémentaire pour un dopage ultérieur de type N - la fait. 8 représente une coupe transversale dune lamelle de silicium complétement dopée, recouverte d'une couche d'oxyde - la fig. 9 représente une coupe transversale d'une lamelle de silicium complétement dopée, sur laquelle la couche d 'oxyde a été décapée su niveau des diverses zones de dopage, en vue d'être dotée de contacts - la fig 10 représente une plaquette achevée selon la technique classique, comportant des conducteurs en aluminium reliant les différentes zones de silicium dopées au circuit électrique dans lequel elle doit e^tre utilisée - la fig. Il représente une coupe transversale d'une lamelle de silicium entièrerrent dopées recouverte de deux couches de conducteurs déposées à des températures élevées différentes - la fig. 12 représente une coupe transversale d'une lamelle de silicium entièrement dopée, après que les conducteurs aient été dessinés par décapage à travers un masque - la fig. 13 représente une coupe transversale d'une lamelle de silicium entièrement dopée, enrobée d'une couche vitreuse dans laquelle on a ouvert des trous pour pouvoir la connecter'a un circuit au niveau des différentes zones des conducteurs - la fig. 14 represente la lamelle terminée fixée à un circuit On rappelle que le procédé consiste à utiliser des semi-conducteurs prédopés, tels que le silicium, le germanium, les compo sés 111-V, tels que ltarseniure de gallium ou les composés II-VI, tels que le séléniure de zinc ou tout autre corps analogue, dans lequel a été diffusée une impureté appropriée. Ceci concerne par exemple, le cas du cristal de silicium (fig. I) pour lequel on a utilisé un dopant de type N, tel que le phosphore, que l'on a fait diffuser dans le cristal de silicium. Une telle couche de bioxyde de silicium (fig. 2) peut être développée en exposant le silicium dopé de type N (I) à une source d'oxygène à la température d'environ I000 C, cette source pouvant eAtre soit de l'oxygène pur, soit de l'oxygène mélangé à de l'azote ou tout autre gaz inerte, que l'on a fait barboter dans de l'eau. La lamelle de silicium recouverte de silice a ensuite été soumise à un traitement désigné par l'expression "Photo Resist", pour ouvrir des trous dans la couche d'oxyde. Le traitement "Photo Resist" consiste à déposer une laque organique 3,représentée sur la fig. 3, que l'on désignera ultérieurement par le sigle "K P R" (KODAK PHOTO RESIST), fabriquée par la Société Eastman Kodak, ou toute autre laque analogue. Cette laque organique a ensuite été exposée à une source de lumière ultra-violette à travers un masque approprié 4, obtenu par procédé photographiqueJpar exemple un négatif, pour durcir les régions de la substance photorésistante que le masque a laissées exposées à la lumière. Ce durcissement est une sorte de polymérisation de la laque organique. Le K P R est ensuite développé et le bioxyde de silicium recouvert par la substance photorésistante est décapé de la plaquette de silice à l'aide d'une solution saturée de bifluorure d'ammonium, comme représenté sur la fig. 4. On peut ensuite utiliser de l'acide sulfurique chaud pour détruire les zones polymérisées. Cette surface de silicium exposée, précédemment dopée de type N dans sa profondeur, est ensuite placée à environ I000 C dans un four à diffusion,afin de faire pénétrer un dopant de'type P, tel que du bore par exemple, dans le corps en silice, comme représenté sur la fig. 5, Jusqu'à une profondeur de plusieurs microns. Cette surface dopée est ensuite réoxydée, soit à l'aide d'oxygène pur, soit d'oxygène ayant barboté dans l'eau comme dans la première étape du procédé décrit plus haut, fig. 6 > et à nouveau soumise à un traitement par K P R. Comme précédemment, cette dernière substance est ensuite enlevée, apures un masquage approprié, en meme temps que la couche de bioxyde de silicium, pour exposer la surface de silicium au dopage comme il est représenté sur la fig. 7. On effectue ensuite la diffusion dans le cristal d'un dopant de type opposé (ou de type N), comme représenté sur la fig. 8, et on recouvre ensuite le dispositif d'une couche d'oxyde. On répète le processus et fait alterner les dopants des types N et P jusqu'à ce que l'on ait obtenu le nombre désiré de couches de silicium dopées des types N ou P. De cette façon, -tou- te combinaison de dispositifs semi-conducteurs peut être réalisée pour obtenir des transistors, diodes, résistances et condensateurs. Après obtention des couches des types N et P dans le corps du semi-conducteur, on procède à un nouveau traitement K P R pour ouvrir des trous au niveau des différentes zones de diffusion dans la lamelle, comme représenté sur la fig. 9, et pour relier par des contacts métalliques le dispositif à tout circuit approprié dans lequel il doit entre incorporé (fig. IO). Habituellement les contacts métalliques sont formés,suivant le procédé classique planaire,à l'aide d'aluminium, dans lequel on dépose sélectivement une très mince couche d'aluminium pour recouvrir les parties exposées des couches du semi-conducteur dopées des types N ou P, puis le vide est fait et le dispositif est scellé ou recouvert d'une résine organique ou toute substance analogue. Dans la présente invention, cependant, l'aluminium est un élément indésirable du fait de sa tendance à réagir avec l'oxygène présent dans la glaçure vitreuse et parcequ'il pénètrerait dans le silicium au cours du traitement à 800 C, température nécessaire pour provoquer la fusion de la composition vitreuse selon t'invention. Pour résoudre ce problème de la contamination du substrat, on remplace l'aluminium par une couche de métal à haute température, tel que l'or, l'argent, le platine, le cuivre, le chrome, le titanes ou des alliages, argent-titane, argent-chrome, argentsélénium. On peut aussi utiliser pour une seconde couche des composés, tels que les siliciures de chrome, de nickel, de gitane, et de tantale, le monoxyde de titane, et de nombreux composés du même type ( référencés 6 sur la fig. II ). Cependant, ce qui importe le plus c'est d'avoir une couche supérieure 7 en un métal de bonne conductivité, tel que l'argent, l'or, le platine, ou le cuivre. L'argent ne peut être utilisé seul, car il pénétre dans le silicium, provoquant la destruction du dispositif. Ce dépôt, -1 partir de métaux, d'alliages ou de composes métalliques, est formé par évaporation sous vide, l'épaisseur de la couche obtenue étant de 1 ordre du demi-micron. Il est effectué à une pression atmosphéflque réduite pour abaisser la température de vaporisation pendant le temps suffisant pour réaliser l'épaisseur necessaire de métal. Après dépôt, la couche métallique est deeapée de façon appropriée, en employant le procédé K P R, pour ne conserver que les trajets des conducteurs sur la surface (fig. I2). Le semiconducteur, par exemple une lamelle de silicium dopée, est maintentant prêt pour être revêtu d'un verre du type boro-silicate de plomb dont 1 domaine de compositions est le suivant : 25 - 35 X PbO, IO - T5 ç B203, 5 - IO % A1203, le reste étant constitué par SiO2. Cette composition est sensiblement la meilleure, car c'est celle qui a un coefficient de dilatation le plus voisin d celui du silicium, de plus elle est passive vis-à-vis du dispositif semi-conducteur. Le revêtement de la lamelle du semi-conducteur métallisé, par cette glaçure vitreuse,est effectué par pulvérisation à fréquence radio ou précipitation à partir d'une suspension liquide. Pour éviter la porosité du film de verreet obtenir un scellement parfaitement étanche, le verre doit être cheuffé à 800 C environ, pendant quelques minutes. La plaquette ainsi obtenue est alors prête pour être connectée grâce aux films conducteurs 6 et 7, représentés sur la fig. I3, au niveau d'une surface destinée à être Iiée,à travers les contacts,à tout circuit électrique IO et II, (fig. I4) dans lequel il doit être utilise. Comme il a été indiqué plus haut, cette glaçure a une épaisseur de l'ordre de I à 3 microns, mais peut être cependant plus épaisse. I1 apparaqt cependant que 1 t emploi de telle plaquette de semi-conducteur serait des plus avantageuses pour l'empilement des composants électriques dans le cas où l'encomhrement est la condition primordiale tfig. I49. L'emploi de tels dispositifs trouve une application toute partieulière dans les composants miniaturisés utilisés actuellement pour des appareils électriques, tels que les calculateurs, les équipements radio-électriques, aussi bien que les récepteurs, et d'une façon générale peuvent être employés partout où l'on utilise des circuits électriques. Pour donner une meilleure idée des détails du procédé, on a indiqué, ci-dessous, trous exemples particuliers illustrant la presente invention. Ces exemples sont donnés neanmoins à titre purement indicatif et non limitatif EXEMPLE I On chauffe à I000 C environ dans une atmosphère d'oxygène et de vapeur d'eau, une lamelle a un monocristal de silicium prédopé, ayant une face supérieure parfaitement polie d'environ 2,5cm de diamètre et d'environ PO microns d'épaisseur, contenant des petites quantités de phosphore titre de dopant de type N, pour transformer la surface en silice à une profondeur d'environ T/2 micron. La lamelle oxydée est recouverte d'une couche de K P R ou tout matériau équivalent et exposée à une lumière ultraviolette ou d'un bleu intense à travers une plaque contenant une image photographique susceptible d'absorber ou de transmettre sélectivement la lumière. Ce film ou cette plaque, appelé un "masque", est un négatif de l'image de la substance photordsis- tante qui sera polymérisée par la lumière. On retire la matière photorésistante non polymérisée, qui se trouve au niveau des surfaces non exposées, et développe par conséquent la configuration désirée. La silice qui n'a pas été recouverte par la matière photorésistance est décapée jusqu'au niveau du siliciumpar une solution saturée de bifluorure d'ammonium. Un bain d'acide sulfurique chaud fait ensuite disparaître la matière photorésistante. laissant une certaine configuration découpée dans le bioxyde de silicium. Une couche de dopant de type P, tel que le bore, est déposée sur la lamelle par décomposition thermique de B2H6. La lamelle est chauffée à-10000C.environ, pour faire diffuser le bore dans le silicium non recouvert par la couche de bioxyde de silicium et transformer la couche diffusée, sur une profondeur d'environ 2 microns, du type N en type P. On ajoute ensuite de l'oxy- gène pour réoxyder le silicium a nu. La lamelle est recouverte de substance photorésistante et exposée à travers un second masque. La substance photorésistante est développée. La silice qui n a pas été recouverte par la substance photorésistante est décapée jusqu'au niveau du silicium. La substance photorésistante est enlevée. La lamelle est revêtue d'une couche de phosphore que l'on fait diffuser sur une profondeur d'environ I micron, pour dopage de type N. On envoie à nouveau de l'oxygène, pour former une couche de bioxyde de silicium sur le siliclum å nu. La lamelle est recouverte de substance photorésistante et exposée à travers un troisième masque. La substance photorésistante est développée. L'oxyde est decapé au niveau des surfaces qui n'ont pas été recouvertes par la substance photorésistante, laissant des orifices de contact au niveau des deux couches diffusées et de la lamelle de silicium. La substance photorésistante est enlevée. La lamelle est recouverte d'aluminium, déposé par évaporation dans un dispositif à vide. La lamelle métallisée est recouverte d'une couche photorésistante et exposée à travers un quatrième masque. La couche photorésistante est développée et l'aluminium qui n'a pas été recouvert par celle-ci est décape au moyen d'une solution à IO % de potasse. La substance photorésistante est enlevée par une solution contenant un solvant convenable. La lamelle est ensuite découpée en transistors individuels, chacun d'eut étant monté dans une enveloppe. Des fils conducteurs sont fixés et le boftier du dispositif est mis sous vide puis rempli d'un gaz inerte. EXEMPLE 2 Le monocristal de l'exemple I après le dernier dopage est recouvert,par évaporation sous vide,d'une couche inférieure de chrome et d'une couche supérieure d'argent à la place de la couche d'aluminium. Cette évaporation est effectuée à une température d'environ 20000C et sous un vide de l'ordre de IO 5 mm de mercure. Le chrome est évaporé à partir d'un creuset renversé contenant une eharge de chrome. Un fil de cuivre accroché à un filament de tungstène peut être évapore en reliant ledit filament à une source de courant convenable dans le même dispositif à vide. Ces couches de octaux conducteurs sont ensuite recouvertes d'une couche de substance photorésistante et exposées à travers un quatrième masque. La substance photorésistante est développée. La couche supérieure de métal est décapée au niveau des régions non reeouvertes par la substance photorésistante à l'aide d'une solution de décapage de l'argent, contenant : I gramme de trioxy de de chrome, I gramme d'acide sulfurique dans un litre d'eau à la température de 65-C, et en agitant la solution. Le temps de traitement est de l'ordre d'une minute par micron d'épaisseur. La couche inférieure de chrome est ensuite décapée jusqu'au niveau de la couche de bioxyde de silicium, au moyen d'une bouillie de décapage constituée par I gramne de poudre de zinc dans I0ml. d'eau et I00ml. d'acide chlorhydrique à I %. La substance photorésistance est enlevée par un solvant approprié. La surface de la lamelle est ensuite recouverte d'une composition vitreuse contenant 50 % SiO2, 7 % Al2O3, I3 % B2O3 et 30 % Pbo, pour une épaisseur de I à 3 microns. Elle est appliquée par projection à frdquence radio sous vide partiel, procédé dans lequel ies mold- cules de gaz accélérées frappent la source de verre qui s'évapore et se dépose sur la surface de la-lamelle Ensuite, ce revete- ment vitreux est chauffé 8 'environ 800 C pendant quelques minutes pour améliorer ses propriétés d'enrobage. (A titre dé variante le verre pourrait être déposé à partir de poudre de verre contenue dans une suspension liquide déposée sur la lamelle). Ce revetement forme alors un film de verre continu qui est chauffé k 800 C environ pendant quelques minutes. Ce film de verre est recouvert d'une substance photorésistance et exposé à travers un cinquième masque. La substance photorésistante est développée. Le verre est décapé jusqu'au niveau du métal conducteur au moyen d'une solution, à une température de 70 C, de I % de bifluorure d'ammonium et I ss d'acide, acétique. La substance photorésistante est enlevée. Les trous faits dans le verre donnent accès aux conducteurs métalliques. Des petits disques en aluminium d'environ 50 microns d'épaisseur sont perforés dans une feuille et soudés aux ultrasons sur les contacts de la lamelle, à travers les ouvertures décapées, pour former de petits piliers sur cette lamelle. Celle-ci est ensuite découpée en élments unitaires, et les piliers que comporte chaque plaquette sont ensuite soudés par ultrasons apres retournement de celle-ci sur les conducteurs d'une plaquette de circuit imprime ou sur un substrat, pour assurer le contact électrique avec le circuit porté par le substrat. EXEMPLE 3 On a réalise un dispositif selon le procédé décrit dans l'exemple 2, dans lequel on a utilise pour la couche conductrice inférieure le titane à la place du chrome. On a déposé environ 1/2 micron d'argent sur une couche de I/IO micron de titane La solution décapante utilisée pour le titane est une solution à I % d'acide fluorhydrique. Pour la simplification de la description, on a utilisé un nombre limité de matériaux et de formes de réalisation. I1 est bien évident que l'invention est beaucoup plus large et l'on peut traiter de façon analogue bien 8'autres matériaux semi-eonducteurs pour lesquels auraient été utilisés d'autres dopants permettant d'aboutir aux mêmes résultats. On peut donc apporter de nombreuses modifications dans ce sens sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS Il est revendiqué comme étant l'objet de l'invention : I - Dispositif semi-conducteur dopé en impuretés des types N et P sur des zones prédéterminées, caractérisé par le fait que ces zones sont reliées a des conducteurs à travers des ouvertures ménagées dans un revêtement vitreux en borosilicate de plomb, par attaque chimique 2 - Semi-conducteur selon la revendication I, dans lequel on emploie à titre de conducteur une couche d'un métal, alliage, composé métallique ou combinaison, compatible avec la composition de borosilicate de plomb 3 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication I, dans lequel la première couche est constituée par une substance semiconductrice dopée, recouverte d'une couche isolante d'oxyde, dont une partie est gtée sélectivement pour permettre la mise en place des connexions, une couche de métal, alliage ou composé métallique étant déposée pour assurer la liaison au circuit électrique 4 - Dispositif semi-conducteur selon la revendieation I, dans lequel la gamme de compositions du verre utilisé est la suivante PbO 25 - 35 % B2O3 IO - 15 % Al2O3 5 - 10 ss le complément à 100 étant fourni par la silice. 5 - Procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur selon la revendication I, dans lequel la lamelle de semi-conducteur dopé est recouverte d'une couche de borosilicate de plot, déposé par pulvérisation à fréquence radio 6 - Procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur selon la revendication 3, comprenant les étapes suivantes a) Oxydation du semi-conducteur dopé pour obtenir une cou che superficielle b) Décapage de cette couche pour ménager des trous au niveau des différentes régions dopées 9 c) Dépôt d'une couche d'un métal, alliage ou composé métallique, par vaporisation à haute température ; d) Revêtement de la lamelle semi-conductrice par une couche de verre au borosilicate de plomb e) Chauffage à une température de 800 C environ, à la pression atmosphérique, pendant un temps suffisant pour obtenir une bonne adhérence du verre à la lamelle.