Brevet FR2096553A1 — publié le 19720218

la présente invention se rapporte généralement à des dispositifs semiconducteurs ; plus particulièrement, elle concerne et a essentiellement pour objet un procédé de formation de contacts ohmiques pour des dispositifs à semiconducteurs à métal-isolant (MIS) ou analogues et, à titre de produits industriels nouveaux, les articles ainsi obtenus par l'exécution dudit procédé ainsi que les diverses applications et utilisations résultant de leur mise en oeuvre et les systèmes, ensembles, apparais, machines, équipements et installations pourvus de tels dispositifs. D'une façon typique, un dispositif MIS ou à semiconducteur à métal-isolant, tel qu'un transistor à effet de champ à porte isolée, comprend un corps ou une masse de matière semicondûctrice ayant des régions respectivement de source et de drain d'un ^ premier type de conductivité adjacentes à une surface de celle-ci et séparées par une région de canal d'un second type de conductivité, avec une couche isolante et use électrode de porte (habituellement métallique) disposées sur la surface du semiconducteur par-dessus la région de canal, le restant de la PO surface du semiconducteur est habituellement recouvert ou revêtu d'une couche passivante ayant des ouvertures dans celle-ci, adjacentes à l'isolant, de sorte qi£ des contacts ohmiques peuvent être réalisés avec les régions respectivement de source et de drain. le fonctionnement électrique des dispositifs précités dépend de la conductivité de la région de canal qui, à son tour, est contrôlée ou commandée par la tension électrique sur l'électrode de porte. Quand une tension électrique suffisante de la polarité appropriée est appliquée à l'électrode de.porte, une mince couche d'inversion du premier type de conductivité se formera dans la région de canal en dessous de l'isolant, les régions de source et de drain sont ensuite connectées par une couche de la même conductivité du premier type et le dispositif devient conducteur. la conductivité de la région de canal dépend également des caractéristiques électriques de l'isolant, telles que son épaisseur et sa constante diélectrique, et il est particulièrement 30 35 71 22433 2 2096553 sensible à des défauts et endommagements du réseau dans l'isolant, qui produisent une distribution de charge, nette dans l'isolant. La charge résultant dans l'isolant attire une charge opposée dans la région de canal située en dessous de celui-ci, 5 ce qui affecte ainsi sa conductivité et la formation de la couche d'inversion. Auparavant, la couche isolante était facilement endommagée quand la. métaHisation_était appliquée à la surface du dispositif. Au fur et à mesure que le métal était déposé sur la surface 10 du dispositif, il pénétrait dans l'isolant et rompait ou disloquait sa structure de réseau. Ceci a été particulièrement vrai aVec des systèmes métalliques à haute température et à haute fiabilité ou sûreté de fonctionnement, tels que des structures à conducteurs en faisceau ou analogues qui utilisent 15 des métaux nobles réfractaires tels qœ le platine. Des métaux réfractaires sont habituellement déposés par. une certaine forme de bombardement à haute énergie, telle.que la pulvérisation ou projection eu 1'évaporation par bombardement par canon à électrons ; cependant, l'isolant est également bombardé par un 20 plasma gazeux dans le processus de projection pulvérisée et par des rayons X dans le processus de bombardement par canon à électrons. Dans les deux cas, un dommage important est causé à l'isolant. Les particules à haute énergie déplacent les atomes dans l'isolant en créant ainsi des centres de capture ou 25 analogues et un déplacement de charge d'anions et de cations. Il en résulte qu'il y a une accumulation de charge près de l'interface ou de la surface de séparation; entre isolant et canal, qui exerce un effet important sur le. fonctionnement subséquent du dispositif. Par exemple dans un dispositif MIS 30 typique à semiconducteur à métal-isolant, l'irradiation par le plasma produira une tension électrique de seuil de 10 à 15 ¥ qui est inacceptable pour la plupart des utilisations, telles que des circuits à mémoire ayant une basse tension électrique de seuil d'environ +0,1 V. Bien que beaucoup de dommages 35 puissent être éliminés par recuit de ces dispositifs pour abaissera tension électrique de seuil à environ +.0,2 V, les dommages ne peuvent pas être totalement.supprimés et il y a un 71 22433 3 2096553 grand écart entre dès dispositifs qui les rend toujours inacceptables pour la plupart dès emplois. Par conséquent, il existe un besoin pour un procédé pour déposer un contact métallique de 'haute fiabilité ou sûreté de fonctionnement qui 5 n'endommage pas l'isolant.- De plus, d'auties procédés de métallisation du dispositif, comme par exemple par évaporation ou pa'r déposition sans courant électrique,sont égalementnon satisfaisants. Dans lès deux cas, le métal est plaqué ou appliqué indistinctemènt par-10 dessus la surface 'entière du dispositif et il ne pénètre pas . dans la couche d'oxyde naturel dans les ouvertures de contact du semiconducteur - Ainsi, des contacts ohmiques ne "sont pas obtenus jusqu'à ce que le métal soit fritté' ou aggloméré à travers l'oxyde ou des défauts dans celui-ci et les électrodes 15 - résultantes ont une resistivité de contact élevée qui est ■-particulièrement indésirable pour des dispositifs de haute fiabilité. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront 20 plus clairement à la. lecture de la description explicative qui va suivre en se reportant aux dessins schématiques annexés, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatifs illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels : -les figures de 1 à 7 représentent respectivement des vues 25 en coupe ou en section transversale d'un dispositif MIS typique ou à semiconducteur à métal-isolant, métallisé conformément •à la présente invention. EXEMPLE I. La figure1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif 30 MIS ou à Semi-conducteur à métal-isolant typique fabriqué dans une plaquette ou pastille de semi-conducteur 10 à un moment avant la déposition des contacts métalliques. Bien que le présent dispositif soit incorporé à un circuit intégré avec un^grand nombre d'autres éléments composants, l'invention est 35 applicable également à des dispositifs discrets, séparés ou isolé.s. Le"présent dispositif comprend des régions respectivement de source 12 et de drain 14 de conductivité du type P+ qui sont 7 i 22433 4 " '2096553 séparées par une région :de canal 16 de conductivité du type N. Une épaisse couche de passivation 18 est disposée sur la surface de la pastille ou plaquette 10 et uné portion de celle-ci est éliminée pour exposer la surface active des régions 5 respectivement de source 12, de drain'14' et de canal 16. Un isolant de porte 20 est formé par 'crdi'ssancè sur la surface exposée et sélectivement attaqué ou gr'avé 'chimiquement. Pour réaliser des ouvertures de contact 22-et 24 vers Tes régions respectivement de source 12 et de drain 14. Les contacts 10 métalliques de la présente invention sont ensuite déposés sur les surfaces du dispositif comme cela : "est décrit ci-après. Tout d'abord, comme cela est indiqué sur la figure 2, une couche mince 30 d'un métal du groupe du platine est "appliquée ou plaquée par immersion-déplacene nt sur la surface exposée du 15 semi-conducteur dans les ouvertures de contact " 22' et 24- D'une façon fondamentale, le procédé de plaquage ou de revêtement par immersion-déplacement est une réaction d'échange électrochimique dans laquelle les atomes du semiconducteur à la surface de la plaquette 10 sont remplacés par substitution par ceux du métal 20 désiré comme cela est illustré par la réaction pour un contact de platine sur une plaquette de silicium :' ' 8i-f2Pt"H" Sl +2Pt. Similairement les autres métaux du groupe du platine peuvent également être appliqués ou déposés par déplacement en raison de la nature électrochimique de la. réaction. Généralement, le groupe du platine comprend le. palladium, le rhodium, le ruthénium, 1'osmium et 1'iridium ainsi que le platine J Tous ces métaux forment de bons contacts ohmiques ; cependant, l'emploi du palladium est préféré en raison de son coût relativement plus 30 , bas et de sa disponibilité. Le procédé par immersion-déplacement est exécuté en immergeant ou plongeant la plaquette 10 dans une solution de sel du métal désiré, acidifiée par de l'acide fluo'ihydrLque. L'acide fluoihydrique élimine par attaque chimique la mince couche d'oxyde 35 sur les ouvertures de contact 22 et 24 pour exposer la matière semiconductrice située en dessous. Les ions métalliques sont ensuite déposés par substitution sur la surface du semi-conducteur 71 22433 5 2096553 jusqu'à ce que l'oxyde naturel soit éliminé et les ouvertures de contact 22 et 24 sont revêtues ou enduites d'une mince couche 30 du métal désiré. On peut faire varier l'épaisseur de la couche 30 et elle peut être déposée dans un large domaine cfe 0 5 valeurs d'épaisseur s'étendant depuis environ 50 jusqu'à 1000 A, selon le métal et les conditions particuliers de la réaction. Dans le présent procédé, la couche de métal 30 est seulement appliquée ou déposée sur les ouvertures de contact où la matière semiconductrice est exposée. Le restant de la 10 surface de la plaquette 10, qui est recouvert d'une épaisse couche isolante, n'est pas affecté par le procédé de déplacement. Par conséquent, des opérations subséquentes de masquage et d'attaque ou de gravure chimique ne sont pas nécessaires psur définir la configuration désirée de métallisation 15 pour les contacts ohmiques, comme cela était le cas avec des procédés de déposition appartenant à l'état antérieurement connu de la technique. Le dispositif est ensuite chauffé pour incorporer la couche de métal 30 par frittage ou agglomération à la plaquette 10. 20 La couche métallique 30 se dissout dans les régions de source 12 et de drain 14 et forme une région peu profonde 32 d'alliage de métal et de semi-conducteur (figure 3) à l'interface ou à la surface de séparation des ouvertures de contact 22 et 24. La région d'alliage 32 agit comme un"germe" ou une "semence" pour 25 la déposition de couches de métal supplémentaires. Plus particulièrement, les ouvertures de contact 22 et 24 ont une surface d'alliage qui forme une liaison ohmique fortement adhérente avec des couches métalliques subséquentes déposées sur celle-ci. De plus en raison de la nature neutre des métaux 30 du groupe du platine, une large gamme de métaux peut maintenant être liée adhésivement à la matière du semi-conducteur. En outre, les métaux du groupe du platine forment également de bons contacts dans la matière à la fois du type N et P et par conséquent, le procédé présente une utilité particulière dans 35 des dispositifs à symétrie complémentaire. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, une seconde couche d'un métal du groupe du platine est déposée et 71 22433 s 2096553 frittée pour être incorporée aux ouvertures de contact 22 et 24 du semiconducteur . Généralement, une seconde couche 0 métallique de 300 à 1000 A d'épaisseur est déposée quand la O première couche est très mince (50 à 300 A d'épaisseur). Quand 5 elle est frittée, la seconde couche se dissout également dans les régions de source 12 et de drain 14 (figure 3) et accroît la qualité des régions 32 d'alliage de métal et de semiconducteur . La seconde couche métallique ne doit pas être nécessairement déposée par le procédé, d'immersion et de 10 déplacement. Elle peut aussi être déposée par d'autres méthodes, telles que la déposition sans courant électrique. Dans la déposition non électrique ou analogue, la seconde couche métallique est seulement déposée sur les portions de la surface du dispositif recouvertes par la première couche de métal et 15 par conséquent, elle n'a pas à être éliminée du restant de la surface du dispositif. De plus, la nature de "germe" de la première couche métallique permet la déposition d'un type différent de métal pour la seconde couche, telle qu'une couche de platine déposée non électriquement, sur une première couche 20 de palladium. En variante dans un autre mode d'exécution de l'invention, la déposition non électrique de la seconde couche d'un métal du groupe du platine est exécutée immédiatement après le dépôt par déplacement de la première couche. Ceci est effectué en 25 ajoutant la solution de déposition non électrique de métal directement à la solution d'immersion et de déplacement pendant que le dispositif reste dans la solution. Ainsi, la seconde couche métallique est déposée non électriquement sur la première couche sans exposer le dispositif à l'air et sans 30 effectuer de frittage entre les deux opérations de déposition. Le dispositif est ensuite enlevé de la salution de déposition et la double couche de métal est incorporée par frittage dans, .les ouvertures de contact 22 et 24 du semiconducteur , d'une manière semblable à celle décrite ci-dessus. 35 Après que les couches métalliques ont été frittées, au moins une couche d'un métal est ensuite déposée sur la surface du dispositif dans les ouvertures de contact frittées 22 et 24 pour 71 22433 7 2096553 compléter ou terminer les connexions électriques du dispositif. D'une façon typique, une ou plusieurs couches métalliques sont déposéés sur la surface entière du dispositif et chimiquement attaquées ou gravées sélectivement pour définir les connexions 5 électriques désirées. Les figures 4' à 7 illustie nt la déposition et l'attaque chimique subséquentes d'une série de couches métalliques dans un dispositif typique à conducteurs en ■ faisceau ou analogues. Le présent dispositif à conducteurs en faisceau consiste en des couches successives respectivement 10 de titane 40, de palladium 42, dror 44 et encore d'or 46 et il est décrit davantage dans l'exemple ci-après. Cependant, l'invention n'est pas limitée à un système particulier à conducteurs en faiscéau. Elle est applicable aussi bien à •d'autres systèmes métalliques. 15 EXEMPLE II. •Dans le cas particulier de contacts de palladium, n'importe lequel d'un certain nombre de sels de palladium, tels - que des chlorures, des bromures ou des sels- plus complexes, peut être utilisé dans la solution d'immersion et de déplacement. 20 Généralement, la solution doit contenir environ 0,4 g de palladium par litre de solution et de l'acide fluorhydrique en quantité suffisante doit être ajouté pour produire une solution résultante ayant un pH compris entre 4>5 et 0,8. Le dispositif, ayant des ouvertures de contact à recouvrir ou à 25 revêtir, est immergé dans cette solution et le métal se dépose seulement sur les surfaces exposées du semiconducteur. - Typiquement, la réaction dure pendant environ 30 à 60 secondes o et déposé une couche de palladium d'environ 200 A d'épaisseur. Lé dispositif est ensuite chauffé à 450°C pendant environ 30 10 minutes pour incorporer le palladium par frittage dans les ouvertures de contact. o Une seconde couche de palladium d'environ 500 A d'épaisseur est ensuite, déposée par déposition non électrique et chauffée à 450°C pendant 20 minutes pour l'incorporer par frittage aux 35 ouvertures de contact 22 et 24. Le restant de la métalllsation formant conducteurs en faisceau est ensuite déposé sur la surfaeé du dispositif comme cela 1\ 22433 8 ' " est indiqué sur les figures 4 a. 7. Tôot 'd Fàtlbïtt " c'oiflme cela est représenté sur la figure 4, des couches successives respectivement de titane 40 et d'un métal 42 du groupe du platine sont déposées par évaporatio'n sur la surface du dispositif 5 et sur les ouvertures de contact frittées 22 et 24. Le platine est habituellement utilisé pour la secondé'couche 42 ; cependant, le palladium a été choisi pour le présent exemple car il peut être facilement évaporé à des énergies beaucoup plus basses que le platine. 10 la couche de palladium 42 est ensuite sélectivement attaquée ou gravée chimiquement (figure 5) pour définir la configuration désirée d'électrode tandis que la couche de titane 40 est laissée intacte, de sorte que les couches de métal subséquentes peuvent être déposées par galvanoplastie, revê-15 tement électrolytique ou électrodéposition analogue sur la surface du dispositif là où cela est désiré. L'attaque chimique est exécutas en utilisant une solution, par exemple d'iodure de potassium et d'iode qui attaque chimiquement seulement le palladium et non le titane. 20 La surface du dispositif est ers uite sélectivement masquée pour exposer les conducteurs de palladium 42 et une couche d'or 44 est déposée sur celle-ci par revêtement électrolytique, galvanoplastie ou électrodéposition analogue comme cela est indiqué sur la figure 6. La surface du dispositif est ensuite 25 masquée à nouveau pour exposer des portions des couches d'or 44 et de titane 40 et une couche épaisse d'or 46 est déposée sur celle-ci (figure 7) par revêtement électrolytique. électrodéposition ou galvanoplastie pour former les faisceaux d ' or ré suit ant s. 30 Les portions non revêtues ou non plaquées de la couche de titane 40 sont ensuite éliminées .de la surface dy&ispositif pour compléter ou achever la définition des conducteurs en faisceau comme cela est indiqué sur la figure 7. Une solution d'attaque chimique, qui ne réagit pas avec l'or ou le palladium^ 35 telle que celle composée de 50 $ d'acide sulfurique, 10 fo de peroxyde d'hydrogène ou perhydrol ou eau oxygénée et 40 i° d'eau, est utilisée de façon que les conducteurs en faisceau ne soient 1 22433 9 2096553 pas endommagés dans le processus d'attaque chimique à l'exception d'un léger affouillement en dépouille aux bords de la couche de titane 40. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. 71 22433 10 2096553 - H E V E J\T D I C A T 'I O 1 S - 1.-Procédé de formation-de contacts ohmiques sur une surface d'un dispositif à semiconducteur à métal-isolant, du type ayant des ouvertures de contact de semiconducteur adjacentes audit isolant, caractérisé, en ce qu'il comprend les opérations 5 consistant : à déposer une couche d'un métal du groupe du platine dans lesdites ouvertures de contact de semiconducteur en immergeant ledit dispositif dans une solution de sel dudit métal, acidifiée par de l'acide fluorhydrique; à chauffer ledit dispositif semiconducteur pour fritter ladite couche de 10 métal dans lesdites ouvertures de contact; et à déposer au moins une couche d'un métal sur ladite surface et sur lesdites ouvertures de contact frittées. 2.- Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que -le métal précité du groupe du platine est le palladium. 15 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations supplémentaires consistant à déposer et à fritter une seconde couche d'un métal du groupe du platine dans les ouvertures de contact frittées précitées avant de déposer au moins une couche d'un métal sur la surface précitée 20 et sur lesdites ouvertures de contact frittées. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la seconde couche de métal précitée est déposée par déposition non électrique ou sans courant electrique. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que 25 la première couche métallique précitée est du palladium et a une o épaisseur d'environ 100 A. 6.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une seconde couche d'un métal du groupe du platine est déposée non électriquement sur la première couche précitée en ajoutant la 30 solution désirée de déposition non électrique à la solution saline précitée et la double couche est ensuite frittée dans les ouvertures de contact. 7.- Procédé de formation de conducteurs en faisceau sur une surface d'un dispositif à semiconducteur à métal-isolant, du type 35 ayant des ouvertures de contact de semiconducteur adjacentes audit 71 22433 2096553 isolant, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations consistant à déposer une couche d'un métal du groupe du platin dans lesdites ouvertures de contact de semiconducteur en immergeant ledit dispositif dans une solution d'un sel dudit- métal, acidifiée 5 par de l'acide fluorhydrique; à chauffer'ledit dispositif pour fritter ladite couche de métal dans lesdites ouvertures de contact; à déposer une couche de titane sur ladite surface et sur lesdites ouvertures de contact frittées; à déposer une couche d'un métal du groupe du platine sur ladite couche de titane; et 10 à déposer au moins une couche d'or sur ladite couche de métal du groupe du platine. 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend l'opération supplémentaire consistant à déposer et à fritter une seconde couche d'un métal du groupe du platine dans 15 les ouvertures de contact: frittées précitées avant de déposer la couche de titane précitée sur la surface précitée et sur lesdites ouvertures de contact frittées. 9.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le palladium est utilisé comme métal précité du groupe du 20 platine dans tout le procédé. 10.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une seconde couche d'un métal du groupe du platine est déposée non électriquement sur la première couche précitée en ajoutant la solution désirée de déposition non électrique à ladite solution 25 saline et la double couche est ensuite frittée dans les ouvertures de contact précitées. 11.- Produit, formant dispositif à semiconducteur à métal-isolant, caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé selon l'une des revendications précédentes.