Brevet FR2023657A1 — publié le 19700821

La présente invention concerne la fabrication des dispositifs semiconducteurs par des procédés photorésistants utilisant, dans tous les cas, des masques photographiques positifs et des matériaux résistants négatifs et positifs appropriés. L'invention concerne particulièrement la fabrication des transistors rapides et utilise un photorésistant négatif à résolution élevée, tout en utilisant toujours des masques positifs pour permettre la réduction maximale des circuits formés. Dans la formation des circuits intégrés, la petite taille et la quantité de matériel nécessaire pour réaliser la plupart des fonctions électroniques permet simultanément la fabrication d'un nombre important d'unités. Les tranches qui sont de l'ordre de 2,54 cm à 3 cm de diamètre, peuvent représenter un lot de 100 à 1.000 unités identiques. Dans ce but; il est nécessaire de réaliser les divers procédés de fabrication dans des très petites zones choisies sur le bloc entier, alors que l'équilibre de la zone n'est virtuellement pas affecté. On délimite la sélection de la zone à utiliser et celle à protéger dans la plupart des étapes principales du procédé par un masque. Une série de masques est ainsi nécessaire pour exécuter le programme de traitement complet. La photolithographie est utilisée comme procédé de masque principal du fait de sa grande souplesse. On traduit la fonction désirée du circuit en une configuration de régions actives, passives isolantes et d'interconnexion qui crée le circuit dans la zone carrée ou rectangulaire la plus petits. Il est nécessaire d'utiliser au moins un masque individuel pour chaque étape principale dans la fabrication d'un circuit monolithique. Par exemple, le masque a la fonction de définir les zones spécifiques telles que la diffusion pré-épitaxiale, la diffusion d'isolant, la diffusion de base, la diffusion d'émetteur, le dépôt pré-ohmique et la métallisation.L'étape de métallisation établit la configuration d'interconnexion métallique pour "câbler" le circuit et fourir les pattes ou zones auxquelles on peut fixer des connexions extérieures. Dans la fabrication normale d'un dispositif semiconducteur, tous les masques sauf le masque de métallisation sont positifs. Le masque utilisé pour l'étape de métallisation est classiquement un masque négatif. Un masque positif est un masque dans lequel l'image désirée, c'est à dire dans notre cas, l'image correspondant à la configuration d'interconnexion, est opaque et la partie restante ou fond du masque est transparente. D'autre part, le masque négatif est juste l'opposé, c'est à dire que l'image est transparente avec un fond opaque. Lors de la production du masque photorésistant, on expose un modèle, qui est un original agrandi de la configuration désirée à la lumière et l'on rk- duit limage pour développer une plaque. On dispose ensuite le masque ainsi forné sur le revêtement photorésistant se trouvant sur le dispositif semiconduc teur et leur combinaison est exposée à une radiation actinique. Si le photorésistant est un matériau résistant négatif, les parties cxposée à la lumière sont fixées et insolubilisées. D'autre part, si le photoréristant est un matériau résistant positif, les parties exposées à la lumière sont dégra- dées et rendues solubles et les parties non exposées restent insolubles. On utilise normalement un masque positif avec un photorésîstant négatif pour la plupart des étapes de fabrication dans la fabrication des semiconducteurs puisque normalement, le matériau isolant, tel qu'une couche d'oxyde ou de nitrure, doit être décapé sélectivement pour donner les zones limitées des divers types de diffusion d'impuretés.Lorsqu'on utilise cette combinaison, les radiaç tions actiniques traversent les régions opaque étroites correspondent aulx por- tions du substrat soujacent et émanent lUinsolubil$zaticn de ces régions du p- sistant négatif où l'on ne désire pas le décapage. Dans l'étape finale, ou étape de métallisation, on revet le métal sur le dispositif entier et l'on revêt un photorésistant sur le métal. On rend soluble ou inrolubleXpRotorésistant de telle sorte que le photorésistant permette l'attaque du métal par le décapant dans toutes les parties sauf dans celles ou l'on ne doit pas éliminer le métal. Pour cette procédure, on a classiquement utilise un masque négatif avec un matériau photorésistant négatif. En utilisant cette combinaison, la radiation actinique traverse les ouvertures étroites du masque, ce qui entraine l'insolubilisation du résistant soujacent dans les régions où l'on a l'intention de préserver les parties métalliques. On a rencontré plusieurs difficultés dans cette procédure de métallisation, spécialement lors de la fabrication des transistors à fréquence ultra-élevée. Dans ce type de dispositif semiconducteur, la configuration d'interconnexion est formée de lignes très proches qui ont caractéristiquement une largeur de l'ordre de 0,051 mm ou moins et sont séparées les unes des autres par des distances caractéristiques d'environ 0,051 mm ou moins. Les difficultés proviennent principalement du fait qu'un masque négatif ayant une définition d'image très nette est très difficile à préparer. Puisque le masque négatif, comme mentionné ci-dessus,. comprend un fond opaque avec une image transparente, une quantité importante de lumière est transférée du modèle à la plaque photosensible. En d'autres termes., le modèle doit être préparé selon une configuration opposés à celle de l'image formée sur le masque; il doit comprendre une image opaque avec un fond transparent.Durant la procédure de réduction de l'image de l'original à une taille suffisante pour le masque, une quantité importante de lumière, correspondant aux zones ouvertes importantes du modèle, es amenée à entrer dans le dispositif à lentille. L'effet di diffusion de la lumière, dont l'importance croit avec la quantité de lumière, conduit à ce que la netteté de l'image formée dans le masque soit de façon corresponoånt-e diminuée. Lorsque la radiation actinique traverse ensuite le masque exposant la couche photo résistante, la définition d'image médiocre du masque est transférée au photorésistant et l'on ne peut pas obtenir la configuration d'interconnexion critiques. I1 serait par conséquent désirable d'obtenir une technique pour obtenir une image très nette du photorésistant de telle sorte que la configuration d'interconnexions de contact métallique critique puisse être obtenue. En conséquence, un objet de l'invention est de fournir un procédé pour la fabrication de dispositifs semiconducteurs permettant l'obtention de la métallisation avec une définition de ligne nette. En outre, un objet de cette invention est de fournir un procédé par lequel on peut préparer des dispositifs semiconducteurs ayant des lignes de contact très étroites et très proches. Ces objets et d'autres sont satisfaits par l'utilisation d'un masque photographique positif pour toutes les étapes de traitement lors de la fabrication du semiconducteur et utilisant un photorésistant négatif pour toutes les étapes précédant la métallisation où l'on utilise un photorésistant positif. D'autres objets caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, et qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 représente un masque de métallisation négatif classique utilisé, dans les procédés de l'art antérieur, pour la fabrication photo-lithographique des dispositifs semiconducteurs. La figure 2 est une vue d'un masque de métallisation photo-lithographique positif. La figure 3 est une vue de dessus d'un transistor NPN à fréquence ultra-élevée réalisé selon les techniques de cette invention. La figure 4 représente une coupe transversale dudit transistor. Selon la présente invention, on utilise un masque photorésistant positif et un photorésistant négatif pour toutes les étapes de procédé dans la fabrication du semiconducteur, telle que la formation du subeollecteur de l'isolement, les résistances, les diffusions de base et d'émetteur, etc.... sauf lors de l'étape de métallisation. Lors de l'étape de métallisation, on utilise un masque positif et un photorésistant positif. Avec cette configuration, une radiation actinique passe autour des régions opaques correspondant à la configuration de contact désiré et le photorésistant soujacent exposé est rendu soluble. On soumet le photorésistant à un procédé de décapage qui élimine les parties exposées rendues solubles et le métal au-dessous des parties rendues solubles formant la configuration critique correcte. L'utilisation d'un masque positif est supérieure à celle d'un masque négatif en ce que l'on peut développer le photerésistant avec une image plus distincte et plus nette. Dans la préparation d'un masque positif, on prépare le modèle avec un fond opaque et une image transparente. On transfère et réduit cette image sur une plaque photosensible pour produire le masque positif. Puisque le fond du modèle original est opaque, on transfère moins de lumière à la plaque photosensible et de là l'importance de la diffusion lumineuse est significativement réduite, ce qui permet d'obtenir une image plus nette.Lors du transfert ultérieur de cette image au photorésistant par le passage de la radiation actinique à travers le masque, l'image formée sur le photorésistant est de même plus nette et plus distincte et l'on peut obtenir les contacts métalliques ayant des largeurs étroites et des écartements critiques. Une bonne technique de préparation du modèle est de traiter un film tel que un film en mylar ou d'acétate de cellulose avec un revêtement opaque. On décape le revêtement de telle sorte que les-régions transparentes correspondant aux configurations de contact désiré soient obtenues. On projette de la lumière à travers le film préparé, à travers une lentille de réduction et on la focalise sur une plaque photosensible. On développe alors la plaque pour former le masque désiré. On peut mieux décrire le masque en référence aux dessins. La figure 1 représente un masque négatif classique 10 où l'image désirée est montrée sous formée image transparente 12 avec un fond opaque 14. Par contraste, la figure 2 représente un masque positif 20 comprenant une configuration d'image opaque 22 et un fond transparent 24. Caractéristiquement, on réduit l'image provenant du modèle par un facteur compris entre 100 et 1.000. Après transfert de l'image à partir du photorésistant, on expose le masque avec une radiation actinique. Selon le photorésistant particulier utilisé, le radiation peut être de la lumière visible, de la lumière ultraviolette ou un bombardement électronique. Le photorésistant utilisé dans l'étape de métallisation selon la présente invention est un photorésistant positif, cela signifie, un polymbre que l'on peut dégrader par exposition à une radiation actinique. Permi les photorOsis- tants positifs que l'on peut utiliser ici, on peut mentionner AZ-1350 et AZ-340 commercialisés par Shipley Co.Inc, On peut identifier des photorésis tant s comme des résines novolaques au m-cresol formaldehyde et des sensibilisateurs au diazo cetone tel que l'ester de l'acide-oxo-2-diazonaphthalène-5 -sulfonique avec le 4, 2, 3-dihydroxybenzophenone. On dissout les solides dans un mélange de solvant d'acétate d'éthyl cellosolve, de butylacétate et de xylène. On peut obtenir plusieurs avantages supplémentaires-en utilisant un masque positif et un photorésistant positif pour les étapes de métallisation. Par exemple, les plaques photographiques utilisées pour réaliser les masques ont généralement une distribution aléatoire de défauts structuraux usuels, telle que formation de trous d'épingle, des défauts de particules de petites poussières, de défauts de morceaux de verre, de restes de gélatine, etc.... , qui peuvent tous affecter nuisiblement le bloc semiconducteur. Cependant ces défauts ont un effet peu important dans les zones claires et ne se sont seulement considérés comme problèmes que dans les zones opaques. Puisque le masque de métallisation positif possède des zones claires importantes, alors que le masque négatif possède des zones opaques importantes, ces défauts sont minimisés de façon importante par utilisation d'un masque positif. On comprendra mieux la présente invention en se référant aux exemples suivants que l'on cite ici seulement dans des buts d'illustration et non pour limiter 1J inventlon. EXEMPLE 1 On utilise une feuille de mylar revêtue d'un film opaque et l'on définit sur le revêtement opaque une image agrandie (multipliée par 500) du dispositif demandé.On arrache alors ce revêtement laissant la configuration du dispositif transparent et le reste de la zone opaque. On projette une lumière du spectre visible à travers la feuille de mylar par l'intermédiaire d'un système de lentille qui réduit l'image à 1/500ème de la taille de la configuration, st l'on transfère l'image sur une plaque photographique. Cette plaque lorsque dévelop pee correctement constitue le masque. EXEMPLE 2 Pour la fabrication d'un transistor NPN à fréquence HF on utilise une pas- tille de silicium N-/N+. On fait croitre alors une couche thermique de SiO2 ayant pour épaisseur environ 5.000 A. On transpose alors une configuration correspondant à la base du transistor sur un photorésistant négatif. Dans ce cas, on utilise le KPR mais si on le désire on pourrait aussi utiliser le KTFR ou un autre photorésistant. On utilise un masque positif et une radiation actinique pour la formation de la configuration désirée. Le photorésistant de la zone de la base n'est pas exposé à la radiation actinique et on la dissout ensuite en utilisant un développeur. On utilise une solution diliuée d'acide fluoridrique et de fluorure d'ammonium pour décaper complètement la région de base . On élimine alors le photorésistant restant par nettoyage. On forme la région de base par diffusion d'une impurité du type p à travers l'ouverture dans le SiO2 jusqu'à une profondeur de jonction de 20 à 30 micron environ. Dans l'exemple présent on utilise du bore mais on doit comprendre que l'on peut aussi diffuser une variété importante d'autres impuretés sur le substrat selon les caractéristiques désirées du produit final. On fait croitre alors une couche d'oxyde mince d'environ 3.000 A dans la région de base. On utilise un masque positif comme décrit ci-dessus et un photorésistant négatif est revêtu sur la surface. On dEflnit une zone de diffusion d'emetteur en exposant du résistant à la lumière et on réalise une ouverture dans la couch:' de SiO2. La diffusion émetteur d'une impureté de type N est alors réalisée à travers l'ouverture de l'oxyde. Après la diffusion de l'émetteur; on ouvre les contacts de base en utilisant de nouveau un masque positif et un phatordalstont négatif. L'étape de fabrication suivante est la métallisation. On nettoie complète- ment la surface de la pastille et lSon dépose un métal approprié sur la surface entière de la pastille. Dans l'exemple present, le métal est i'aluminum. On utilise un photorésistant positif en c:ombnaison avec un photomasque positif pour définir la configuration do métallisation qui connecte le dispositif semi- conducteur au conditionnement.On montre la représentation en coups transvarsam le et la géométrie horizontale du dispositif respectivement dans les figures 3 et 4 Les propriétés du photorésistant AZ 1350, de l'amincisseur, du développeur, et du suppresseur sont comme suit: Propriétés physiques AZ-1350 AZ AZ AZ Résistant Amincisseur Développeur Suppres seur Type de solution Solvant Solvant Aqueuse Aqueuse Alcaline Alcaline Apparence Ambre rouge Blanc aqueux Blanc aqueux Brun Clair Clair Clair Clair Contenu solide App.19,5% Point d'éclair 450C 450C aucun aucun (coupe ouverte) La procédure pour l'utilisation de AZ-1350 est comme suit: 1.On filtrs le photorésistant AZ-1350 en utilisant un filtre de 1,5 pu 2. On applique un ou deux revêtements de résistants sur une pastille fixe et ensuite on le (ou les) fait tourner à 2.000 tours par minute Jusqu'à ce que le revêtement soit sec. 3. On cuit la pastille durant dix minutes à 35-400C dans l'air et ensuite à 90-100 C durant 10 minutes supplémentaires dans l'air. 4. On réalise l'exposition comparable à l'épaisseur équivalents de KTFR, 8 secondes, avec une lampe à arc au mercure de 200 watts. 5. On développe l'émulsion durant 30 secondes. 6. On cuit alors l'mulsion durant 10 minutes à 1500C. 7. On élimine le résistant avec de l'acétone, Le résistant positif AZ-1350 utilisé en conjonction avec le masque positif pour la métalisation ne constitue seulement qu'un exemple d'un résistant positif convenablequi'on peut utiliser en conjonction avec le masque positif. Ce résistant particulier est sensible à la lumière ultraviolette. le domaine de sensibilité utile se trouvant entre 3.400 et 4.500 A. Les films AZ-1350 sont résistants à l'acide fluoridrique concentré et à un mélange d'acide fluoridrique et d'acide nitrique. Les instruments actuels utilisés avec les produits photorésistants Kodak peuvent être utilisés avec AZ-350. En outre, les films de AZ-1350 peuvent être exposés sans dommage à la lumière fluorescente de l'or. En plus de son utilisation avec les métaux, on peut utiliser l'AZ-1350 pour décaper l'oxyde de silicium tif2). L'adhésion est très bonne dans les deux cas. il est évident de ce qui précède que l'utilisation d'un photorésistant po- sitif en conJonction avec un masque positif pour l'étape de métallisation dans la fabrication d'un semiconducteur, au lieu du résistant et du masque négatif classique agit avantageusement pour réduire la diffusion lumineuse, augmenter le contrat et l'image latente, et par là, pour fournir une résolution supérieure de la configuration terminée. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques principales de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il Juge utiles sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de dispositifs semiconducteurs utilisant des masques, du genre dans lequel on revêt d'une couche de métal toute la zone de la configuration de circuits, caractérisé en ce que: - on applique un photorésistant positif sur toute la zone recouverte de métal - on expose ledit photorésistant à travers un masque de métallisation positif - on développe les zones de phatorésistant exposées - on attaque le photorésistant exposé ainsi que la couche de métal située au-dessous, pour établir une configuration d'interconnexion métallique positive 2.- Procédé de fabrication selon la revendication 1 caraotéris en ce que le photorésistant est un polymère qui initiallement est insoluble dans la solution de développement mais qui, lors de l'exposition, se dégrade et devient soluble. 3.- Procédé de fabrication selon la revendication 1 caractérisé en ce que le photorésistant comprend une résine navolaque au m-crésol formaldehyde et un sensibilisateur à l'acide 4,2,3 - diazonaphthalène - 5 sulfonique. 4.- Procédé de fabrication de dispositifs semiconducteurs utilisant des masques, du genre dans lequel on revêt d'une couche de métal touts la zone de la configuration de circuits caractérisé en ce que: an os applique au moins un revêtement de photorésistant positif sur toute la zone recouverte de métal - on imprime un mouvement très rapide au dispositif pour sécher et étaler uniformément le revêtement photorésistant '1is - on chauffe le dispositif entre 35 et 400entre 90 et 1000C - on expose le photorésistant à travers un masque positif puis on développe le revêtement photorésistant exposé - on chauffe le dispositif recouvert de photorésistant développé - et on attaque le photorésistant développé avec un solvant pour l'enlever ainsi que la couche de métal située au-dessous, afin d'établir la configuration d'interconnexion métallique positive désirée, comma définie par le masque positif. 5.- Procédé de fabrication d'un transistor NPN à très haute fréquence caractérisé en ce que - on fait croflre thermiquement une couche de SiO2 sur une pastille de silicium dopée d'une impureté du type N - on revêt la couche de SiO2 d'un photorésistant négatif et on forme une configuration dans ce photorésistant en l'exposant à une radiation actinique à travers un masque positif - on attaque les régions non exposées du photorésistant ainsi que la couche de SiO2 située au-dessous de ces régions pour former des ouvertures dans cotte couche - on diffuse une impureté du type P dans la pastille à travers les ouvertures ds la couche SiO2 pour former la région de base du transistor - on revit la pastille d'un photorésistant négatif et on expose ce photorésistant à une radiation actinique à travers un masque positif, - on attaque les régions non exposées du photorésistant ainsi que la couche de SiO2 située au-dessous de ces régions pour former des ouvertures dans cette couche, ces régions étant situées à l'intérieur de la région de base, puis on diffuse une impureté du type N dans la pastille à travers les ouvertures de la couche de SiO2 - on forme la configuration des contacts de base en revêtant le pastille d'un photorésistant négatif et en exposant le photorésistant à une radiation actinique à travers un masqua positif - on dépose un métal sur la surface de la pastille - et on définit la configuration de métallisation en utilisant un photoré sistant positif et un masque photographique positif. 6.- Procédé selon la revendication 5 caractErisé en ce que le métal est de l'aluminium et que le photorésistant comprend une résine novolaque au mrcresol formaldehyde et un ester de la 4, 2, 3-dihydroxybenzophenone et de l'acide 1 - oxo - 2 - diazo - naphthalbne - 5 - sulfonique.