Brevet FR2013735A1 — publié le 19700410

j.: ' invention se rapporte aux organes de connexion des composants skiai-conducteurs et des circuits intégrés, tels qu'ils sont utilisés par exemple dans des appareils électroniques de traitement des données. 5 le problème de la connexion des composants semi-conduc teurs et des circuits intégrés peut être envisagé sous trois points de vue différents. Dans le cas de circuits hybrides, un certain nombre de composants, par exemple, des diodes et des transistors qui 10 sont fabriqués séparément sur des plaquettes semi-conductrices, peuvent être connectés à un réseau de conducteurs déposés sur des panneaux isolants. Dans le cas des circuits intégrés, une pluralité d'éléments de circuits étant fabriqués sur une surface principale d'un élément semi-conducteur, on peut se trou- 15 ver dans l'un ou l'autre de deux cas différents. _ Dans le premier cas, qui correspond à ce qu'on appelle les circuits intégrés hybrides, les sous-ensembles de circuits dont chacun est fabriqué sur une surface principale d'une plaquette semi-conductrice unique et contient un nombre relative-20 ment faible d'éléments de circuits, sont connectés entre eux et au circuit extérieur par l'intermédiaire de connexions déposées sur un panneau isolant, afin de former un ensemble fonctionnel enfermé dans un boîtier unique. Cette technique est également connue sous le nom " d'intégration à éciielle moyenne " 25 ( MSI ). Le second cas correspond à ce qu'on appelle " l'intégration à grande échelle " ( LSI ), suivant laquelle un ensemble fonctionnel global, comprenant un nombre relativement élevé d'éléments de circuits, est fabriqué sur une surface principa-30 le d'une plaquette semi-conductri^o. 69 22463 2 2013735 On rencontre, dans ces différents cas, des difficultés importantes qui croissent avec le degré de miniaturisation et la complexité des circuits, pour l'établissement des organes de connexion. Ces difficultés""'dépendent principalement, du 5 fait que, dans les techniques antérieures, ces organes de connexion comprennent des contacts et des conducteurs de connexion exclusivement localisés s'ur la même face de l'élément semi-conducteur sur lequel les éléments de circuits sont fabriqués. Pour des raisons de fiabilité , les contacts de' connexion 10 externe ne peuvent avoir des dimensions réduites et, par conséquent, une partie importante de la surface utile est occupée par ces contacts. En outre, dans le cas des circuits intégrés, un certain nombre d'éléments de circuits doivent être connectés entre eux et aux circuits externes. ^ Il en résulte des croisements multiples et des su-oerposi- tions des conducteurs de connexion, qui doivent donc être isolés entre eux par interposition de couches diélectriques, Ceci provoque une augmentation des coûts de fabrication, une réduction de la densité des éléments de circuits qui peu-20 vent être placés sur un élément semi-conducteur unique et une diminution du rendement de production et de la fiabilité du circuit intégré. On a décrit antérieurement une métiiode qui permet d'obtenir les organes de connexion d'un circuit intégré particulier, 2^ à savoir une matrice de diodes, au moyen de conducteurs de connexion placés sur le côté opposé à celui qui est utilisé pour la fabrication des éléments de circuits, ces conducteurs de connexion étant électriquement reliés aux éléments de circuits par l'intermédiaire de régions à conductivité élevée de l'élé-30 ment semi-conducteur, qui sont mutuellement isolées par sépa- 69 22468 3 2013735 ratiez natirie-x-, oot-riiae par ^ravare e~i..iiq.".-=>. Une ^ét.icâe de formation de connexions entre des faces opposées de l'élément seni-conàtidteur est bien connue, cette méthode prévoyant des ouvertures ménagées à travers l'élément 5 uemi-conducteur et dont les parois sont dopées et polarisées de maniéré à constituer des jonctions isolantes. Toutefois, ces connexions possèdent une résisôivité et une capacité élevées. L'invention se propose &' 5tendre la disposition connue 10 mentionnée ci-dessus, aux cas de composants semi-conducteurs et à n'importe auelle espèce de circuits intégrés, afin d'éliminer les inconvénients mentionnés ci-dessuis. L'invention se propose, plus particulièrement, de faciliter la construction de circuits hybrides, en fournissant des „c organes de connexion externe de dimensions relativement grandes' 15 pour les éléments de circuits isolés, tout en réduisant la surface occupée par lesdits contacts sur la surface active de l'élément semi-conducteur et, en même temps, en permettant de vérifier facilement l'efficacité des connexions externes ainsi 20 établies. L'invention se propose encore, de fournir ces moyens de connexion de sous-ensembles de circuits intégrés faisant partie de circuits intégrés hybrides. 3lle permet d'établir une variété plus grande de relations 2^ spatiales entre de tels sous—ensemcies, lorsqu'ils sont assécole s ,/our constituer un circuit intégré unique, en autorisant j-îur 3uxtapcsi^xon K.atuelxs ou leur superposition suivant différentes .Tïc&alités,, 3lie facilite la "fabrication et la connexion des circuits 30 inte r2s a -rs-nde "c-u v .tovernie ''ch-ile, -~>n foamissant des or— —' . , • l, BAD ORIGINE1 22468 4 2013735 ganes de connexion qui réduisent la surface occupée du côté " fabriqué " ou actif de l'élément semi-conducteur et le nombre des intersections et des superpositions entre les conducteurs. Suivant l'invention, un élément semi-conducteur mono-cris- /supérieure tallin unique sur la surface* duquel les éléments de circuits sont fabriqués, comporte des régions amincies ou effilées, remplies de matières à faible résistivité qui traversent toute l'épaisseur de l'élément semi-conducteur et en sont isolées. Ces régions ont sensiblement la forme d'un tronc de cône ou d'un tronc de pyramide, leurs petites bases se trouvant sur la surface supérieure de l'élément semi—conducteur et y occupant des zones de dimensions réduites qui peuvent être connectées aux éléments de circuits formés sur cette surface supérieure, tandis que leurs grandes bases, ayant une surface relativement étendue, se trouvent placées du côté inférieur de l'élément semi-conducteur, en contact ohmique avec des éléments de connexion métalliques : lesdites régions sont isolées du reste de l'élément semi-conducteur par des moyens appropriés, qui peuvent comporter des couches diélectriques interposées et des jonctions semi-conductrices convenablement polarisées. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après : Au dessin annexé : La figure 1 représente en coupe, une partie d'un élément semi-conducteur et l'un des organes de connexion conforme à un mode de réalisation de l'invention ; la figure 1 bis, représente une variante concernant la forme des contacts de connexion ; la figure 2, représente en perspective schématique et en coupe, un élément de circuit unique et les organes de conne- SAD ÔRt&NAL 69 22468 5 2013735 xion correspondants ; la figure 3» représente la coupe d'une partie d'un élément semi-conducteur, dans le cas de circuits intégrés. Les figures 4, 5 et 6 représentent différents cas d'inter-5 connexion de sous-ensembles de circuits intégrés ; La figure 7> représente une application particulière de l'invention, à la connexion de deux points d'un circuit intégré la figure 8, représente un autre emploi concernant la formation d'un condensateur entre deux points d'un circuit intégré 10 La figure 9, représente différentes étapes successives d'un procédé utilisable pour la mise en oeuvre de l'invention. La figure 1, représente en coupe, une partie d'un élément semi-conducteur monocristallin utilisé comme support pour un composant ou un circuit intégré. 15 Suivant une disposition généralement adoptée, l'élément . comprend un corps semi—conducteur ayant une épaisseur relativement grande, par exemple 100 microns, convenablement dopé pour obtenir une conductivité du type U relativement élevée (correspondant, par exemple, à une résistivité de 0,01 ohm 20 par cm). Sur la surface supérieure de ce corps, on fait croître par épitaxie, une couche relativement mince 2. Cette couche mince peut par exemple, avoir une épaisseur de 5 microns et est constituée d'un matériau semi—conducteur ayant une conductivi— 25 té de même type K que le corps, mais sensiblement plus faible par exemple, correspondant à une résistivité de 1,5 ohms par cm. La conéuctivitc relativement élevée du type I." du corps est indiquée, dans le texte suivant et au dessin, par le symbole Î7 +, tandis que la conductivité réduite du type ET de ■jq la couche mince est indicuée par ïï : par analogie, les conduc- 69 22468 6 2013735 tivités au "cype P élevées et "basses sont respectivement indiquées par P+ et P. Le corps 1 est traversé, dans toute son épaisseur, par une région 3 ayant une forme effilée, c'est-à-dire, approxima-5 tivement tronconiaue ou en forme de tronc de pyramide, constituée en un semi-conducteur polycristallin ayant une conductivité relativement élevée du type P+, séparé du corps 1 par une couche appropriée de matière diélectrique, par exemple, du bio-xyde de silicium. 10 la région 3 se termine sur la surface inférieure du corps 1 et, sur sa grande "base , on dépose une portion sensiblement hémisphérique de matière métallique 5, par exemple de l'or, établissant ainsi un contact ohmique avec cette région 3 et fournissant un contact de connexion à un circuit extérieur. 15 Comme l'indique la figure 1 bis, ce contact de connexion peut àvoir" une forme diî" ter ente, par exemple, celle d'un cylindre " effilé w (c'est-à-dire, de section décroissante). sur le côté supérieur, la région 3 se termine en correspondance avec la surface de séparation entre le corps 1 et la 20 couche mince 2 à croissance épitaxique. En correspondance avec cette surface, se termine également la couche diélectrique 4 interposée entre la région 3 et la couche 1. Au-dessus de la surface supérieure de la petite base de la région 3 et en contact avec elle, la couche épitaxiée 2 25 présente une région limitée 6 de conductivité du type P+, obtenue par diffusion appropriée d'une impureté sélectionnée dans la couche 2. Cette région 6, à croissance épitaxique, présente, en contact avec la petite base de la région 3> tf-ne portion po-lycristalline 6', tandis que la partie restante de la région 6 30 est monocristalline. La largeur de la région diffusée 6 est 69 22463 7 2013735 telle que la surface frontière entre la région 6 et la couche environnante 2 est comprise dans la partie monocristalline de la région 6. la surface frontière 9 est donc une jonction entre des régions ayant des impuretés de signes opposés ( P + et ïï ) t- et, quand elle est convenaolement polarisée, elle constitue une couche isolante entre la région 6 et la couche 2° La région polycristalline 3 et la région diffusée 6, toutes deux du type P+. de conductivité, forment donc une région conductrice i3olée du corps 1 et fournissant une voie à faible •jO résistance entre le contact de connexion 5 et la surface supérieure de la région 3» qui est au niveau de la surface supérieure de l'élément semi-conducteur. Sur cette surface, on peut déposer, par des moyens connus, une bande 7 de matériau conducteur, par exemple de l'aluminium. Cette bande est en contact 15 ohmique avec la région 6 et isolée de la surface de la couche 2 par une couche diélectrique 8. Ainsi, se trouve réalisée une connexion à faible résistance électrique entre le contact 5 sur la surface inférieure de l'élément semi-conducteur et un ou plusieurs points convenablement choisis de la surface supé-20 rieure sur laquelle les composants semi-conducteurs sont fabriqués. La capacité d'une telle connexion est facilement limitée en choisissant une épaisseur appropriée de la couche isolante. La figure 2,représente, en coupe et en perspective, un transistor 10 du type KPIT fabriqué sur un élément semi-con-2^) .Je t ^ ur. L'émetteur 11 et la base 12 sont obtenus par diffusion ions la couche épitaxiée If et sont électriquement reliés à ■j.ss contacts 13 et 14 situés sur la surface inférieure de l'élément sei'ix—conducteur. Le contact collecteur est obtenu au moyen 3u à• une portion sensib^eront hériisrhérioue 15 de matière métalli- BAO owetNM- 69 22468 8 2013735 'que, similaire aux contacts de connexions 13 et 14, en contact ohmique avec le corps monocristallin 20, de conductivité 1h-, lui-même, en contact avec la couche monocristalline mince '19 et constituant le collecteur du transistor. ^ Un transistor du type figuré peut facilement être lié, par âes moyens connus, à trois conducteurs 16, 17, 18, faisant partie par exemple, d'un réseau déposé sur un panneau isolant contenant des éléments passifs - tels que capacités, inductances et résistances — et des bandes de connexion. to Après liaison des contacts de connexion 13, 15 et 14 à des contacts correspondants 18s 17» 16, l'efficacité de chaque liaison- peut être vérifiée au moyen d'un couple d'électrodes d'essai minces, indiquées par les lignes en tirets de la figure 2, connectées à un circuit d'essai approprié non figuré et mises 15 respectivement en contact, par exemple, avec la région supérieur» du type P+ électriquement connectée au contact 14 et au conducteur correspondant 16. les dispositions décrites peuvent, avantageusement, être utilisées, soit pour la fabrication de transistors séparés en-20 capsulés dans leur "boîtier individuel ou, mieux encore, comme on l'indique dans l'exemple, pour les transistors destinés à être utilisés dans les circuits hybrides. L'avantage de disposer de contacts de connexion de dimensions relativement grandes n'occupant pas une partie importante 25 de la surface active disponible et de procurer la possibilité de vérifier l'efficacité des connexions de liaison, est évident. la figure 3, représente une disposition qui peut être commodément utilisée dans le cas où l'on fabrique une pluralité d'éléments de circuits, tels que des diodes, des transistors, BAD ORIGINAL 69 22468 9 2013735 des condensateurs etc— sur on élément inonocrlstallin unique et où l'on exige an isolement matael de ces éléments. Ceci est obtenu habituellement en polarisant dans le sens inverse les jonctions qui entourent complètement chaque élément. 5 Comme on le voit, à titre d'exemple, à la figure 3, un transistor 30 comprend un émetteur 31 du type N, contenu dans une région de base 32 du type P, elle-même incluse dans une région de collecteur du type El", la région de collecteur 33 est enfin, complètement incluse dans une couche épitaxiée 34 du ty-10 pe P qui. contient, également, tous les transistors restants et autres éléments de circuits fabriqués sur la surface supérieure de l'élément semi—conducteur. La jonction PN entre le collecteur 33 et la- couche externe 34 et la jonction similaire qui existe entre la couche 34 et "15 les régions les plus externes des autres éléments de circuits, sont polarisées en sens inverse pour assarer leur__isolement mutuel. La couche 34, qui possède une conductivité du type P, forme un contact ohmique avec le corps monocristallin sous-jacent, 20 lequel possède une conductivité P+ relativement élevée. Pour connecter le collecteur, la base et l'émetteur du transistor 30 aux contacts de connexion situés sur la surface inférieure, tels que celui qui est indiqué en 26, on prévoit un nombre approprié de régions amincies, telles que celle qui 25 a été indiquée en 25, ayant une conductivité relativement élevée du type E+. Ces régions sont isolees du corps 27 par une couche diélectrique mince 28 composée par exemple, de bioxyde de silicium. 30 le contact de connexion 26 est relié à la base inférieure 22468 10 2013735 de cette région, et la Toa.se supérieure est en. contact avec une région 29 du type N+ diffusée qui s'étend jusqu'à la surface supérieure de la couche épitaxiée 34. Cette région est également en contact avec le conducteur métallique 23 qui la connecte par exemple, à la base 32 du transistor 30 et est isolé de la couche 34 par la couche diélectrique 24. la polarisation négative du corps 27, tout en réalisant l'isolement de la région de collecteur du transistor 30, assure également l'isolement de la région 29. Il est ainsi possible de fabriquer des circuits intégrés à moyenne et à grande échelle munis d'un nombre approprié de trajets à faible résistance vers des contacts de connexion situés sur la surface inférieure de l'élément semi-conducteur. Dans le cas de circuits intégrés, dans lesquels chaque ensemble complet de circuits contenu dans un bloc unique est formé d'un certain nombre de sous-ensembles de circuits intéerés interconnectés, 1'interconnexion est etablie de la maniéré la plus efficace et la plus fiable au moyen de ces contacts placés sur ia surface inférieure. Les figures 4, 5, 6, montrent des exemples de différents types d'interconnexions et de relations spatiales réciproques entre les sous—ensembles de circuits. Comme l'indique la figure 4, deux ou plusieurs sous-ensembles 38 et 39 peuvent être juxtaposés sur un panneau isolant commun 35 sur lesquels des conducteurs appropriés 36 fournissent les connexions entre les contacts 37 situés sur la surface inférieure des éléments semi-conducteurs. La figure 5, représente deux sous-ensembles disposés tête-bêche de manière telle oue les surfaces inférieures des deux 22468 n 2013735 éléments semi-condu.cteu.rs soient directement en regard l'une de l'autre. Les contacts de connexion 43 et 42 peuvent être directement connectés entre eux, si ceci est rendu possible par leur position relative ou, de préférence, ils peuvent être reliés à des conducteurs 44 situés sur les deux faces d'un panneau isolant 45* Enfin, la figure 6 montre la manière dont deux ou plusieurs sous-ensembles peuvent être superposés, en prévoyant plages des métalliques sur la surface supérieure des sous- . o. • plaças ± - ensembles inférieure, ces étant connectes au con tact 50 sur la surface inférieure des sous-ensembles supérieurs. La disposition de la figure 5 et de la figure 6 peut être utilisée pour obtenir une densité remarquable d'occupation du bloc et peut être particulièrement appropriée lorsque les circuits intégrés sont caractérisés par une production thermique réduite, comme c'est le cas par exemple dans les circuits qui utilisent des transistors à effet de champ du type semi-conducteur-oxyde métallique habituellement désigné sous le nom de KOS-FET, ou de type similaire. Dans les circuits intégrés à grande ou à moyenne échelle, certaines des grandes bases des régions effilées qui apparaissent à la surface inférieure de l'élément semi-conducteur peuvent être connectées entre elles, comme le montre la figure 7, par des bandes conductrices 51 déposées sur la surface inférieure du corps et isolées de celui-ci par une couche diélectrique 52, par exemple en bioxyde de silicium. Différents points des éléments de circuits de la surface supérieure peuvent être connectés entre eux par des connexions établies sur la surface inférieure, ce qui réduit ainsi sensiblement le nombre des ixitersections entre les éléments conduc 59 22468 12 2013735 teurs de la surface supérieure. En outre, comme on le nontre à là figure S, deux régions effilées 53 et 54 peuvent avoir leur grande "base connectée à deux surfaces conductrices en regard 55 et 56, isolées entre 5 elles et du corps, par les couches diélectriques 58, formant ainsi un condensateur. En se référant au cas illustré par les figures 1 et 2, dans lequel, la couche monocristalline épaisse est du type 17+ et les régions effilées sont du type P+, on décrira maintenant ■jO ihi procédé de réalisation d'un élément monocristallin comportant des moyens de connexion électrique entre les surfaces inférieures et supérieures, conformément à l'invention. Utilisant au départ un élément en silicium monocristallin 61 de conductibilité 1T+ et d'épaisseur appropriée, on décape 15 sa surface inférieure en des points déterminés par des moyens dç décapage connus, pour obtenir des ouvertures sensiblement coniaues 62 ayant une profondeur supérieure à l'épaisseur finale voulue de l'élément semi-conducteur, mais inférieure à son ~~ épaisseur réelle. Pour obtenir cet effet, on peut utiliser les 20 moyens de décapage connus qui procurent une action de décapage sélective par rapport aux axes cristallographiques de l'élément, afin de renforcer la profondeur du décapage dans la direction de l'épaisseur de l'élément par rapport aux directions parallèles aux surfaces principales." 25 la matière semi-conductrice est ensuite recouverte d'une 63 couche diélectrique/de bioxyde de silicium étendue sur toute la surface inférieure et sur la surface intérieure des ouvertures. Cette couche peut être obtenue, soit en oxydant le support, soit par dépôt, mais de tels moyens sont bien connus dans la 30 technique (figure 9b). Sur cette surface inférieure et dans les 22468 13 2013735 64 orifices, on dépose du silicium convenablement dopé/, remplissant ainsi les orifices 62 d'une matière polycristalline du type P+ (figure 9ç)• On enlève ensuite la surface supérieure de l'élément semiconducteur par rectification jusqu'au niveau indiqué par la ligne 33 à la figure 9ç , jusqu'à ce que les sommets des ouvertures coniques soient découpés et, sur la surface rectifiée, une couche 65 de matière semi-conductrice de type N à conductivité ' réduite est réalisée par croissance épitaxique. Sur cette couche, en correspondance avec les sommets des régions effilées, on diffuse une quantité appropriée d'impuretés du type P pour obtenir des régions 66 ayant une conductivité P+, en contact avec les "bases supérieures des régions 68. Finalement, on enlève par rectification le matériau situé au-dessous de la ligne LL et les contacts de connexion 69 sont déposés sur les bases inférieures des régions 68. Par une méthode similaire, de tels organes de connexion peuvent être 0Di;enas également dans le cas de la xigure 3» aussi bien que dans celui des transistors du type PîîP. Les modifications de la méthode décrite sont dues aux différents types de dopage et aux types opposés de conductivité des régions. D'autres méthodes comportant différentes opérations peuvent être utilisées pour obtenir le même résultat, la méthode décrite n'étant donnée qu'à titre d'exemple. Les dispositions décrites peuvent être utilisées dans le cas de transistors et de circuits intégrés du type connu sous le nom. de " jonctions planes épitaxiées "qui sont maintenant d'un usage très général et sont caractérisés par la croissance d'une couche monocristalline de conductivité réduite, dans la 69 22468 14 2013735 quelle, les différentes régions qui forment les éléments de circuits sont obtenues par diffusion sur une surface d'un élément semi-conducteur monocristallin. Bans ls cas maintenant, moins utilisé, dans lequel lesdi-5 tes régions sont obtenues par diffusion directe des impuretés dans l'élément monocristallin, on pourra adopter les modifications appropriées de la méthode décrite. Dans ce cas, les régions effilées à conductivité élevée sont isolées du corps par une couche diélectrique qui s'étend 10 à_travers toute l'épaisseur de l'élément» 22468 15 EEYjîIDICATIOI 3 2013735 1 — Elément semi-conducteur comprenant un corps limité par des surfaces principales, caractérisé en ce que des régions de connexion qui traversent ledit corps et se terminent sur lesdites surfaces sont remplies d'une matière semi-conductrice à conductivité relativement élevée et sont isolées dudit corps pour fournir des trajets à faible résistance entre lesdites surfaces. 2 - Elément semi-conducteur conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites régions ont une forme effilée, leurs zones terminales situées sur une surface principale étant sensiblement plus grandes que leurs zones terminales situées sur la surface opposée. 3 — Elément semi-conducteur conforme à la revendivation 1, comprenant une couche mince ds matière diélectrique au moins partiellement interposée entre lesdites régions et ledit corps pour en réaliser l'isolement mutuel. 4 - Elément semi-conducteur comportant un corps délimité par une surface inférieure et une surface supérieure principale, ledit corps étant constitué en une matière monocristalline semi-conductrice de conductivité relativement élevée d'un premier type, une couche semi-conductrice mince du même type de conductivité étant obtenue par croissance épitaxique sur la surface principale supérieure du corps et en continuité avec lui, au moins un élément de circuit étant fabriqué de manière à faire partie intégrante de ladite couche épitaxiée, ledit élément étant caractérisé en ce que les régions de connexion qui traversent ledit corps, ee tercinsiit sur les surfaces supérieures et inférieures de celui-ci et étant isolées par une couche icince de matière diélectriesue, sont remplies d'un maté - 69 22468 1* 2013735 riau semi-conducteur ayant une conductivité relativement élevée l'un type o-ooosé audit premier type, les surfaces terminales supérieures desdites régions de connexion étant en contact immédiat avec des portions ie ladite couche énitaxiée convena-5 blâment do-née pour fournir une conductivité dudit type opposé, lesdites -cortions s'étendant .jusau'à la surface supérieure de ladite couche épitaxiée et étant en contact ohmique avec des éléments conducteurs qui y sont formés, lesdites régions de -connexion se terminant sur ladite surface inférieure dudit 10 corps en contact ohmique avec des éléments conducteurs qui y sont formés, de façon à fournir des trajets à faible résistance entre lesdits éléments conducteurs formés sur ladite surface inférieure et lesdits éléments conducteurs formés sur ladite surface supérieure de ladite couche épitaxiée. 15 5 - Elément semi-conducteur conforme à la revendication 4, dans lequel, lesdites régions ont une forme effilée, les surfaces terminales desdites régions sur ladite surface inférieure fludit corps étant sensiblement plus grandes que les surfaces terminales desdites portions desdites régions épitaxiées.