Brevet FR2086028A1 — publié le 19711231

L'invention se rapporte à des circuits intégrés à semiconducteurs et, plus particulièrement, à des circuits intégrés isolés les uns des autres et ayant une voie de conductibilité thermique commune en direction d'un dispositif d'évacuation calorifique. 5 L'intérêt des circuits intégrés et les moyens permettant de les réaliser sont bien connus. Toutefois, le problème qui consiste à procurer 1'isolement électrique requis entre des composants ou des éléments séparés des circuits, tout en fournissant une voie à conductibilité thermique élevée vers un dispositif d'évacuation 10 calorifique, présente encore de sérieux obstacles qu'il faudra vaincre avant d'atteindre les possibilités complètes des circuits intégrés. Bien qu'on ait proposé différents procédés et appareils pour résoudre* ces problèmes, les solutions connues sont d'une com-15 plexitê et d'un coût tels qu'elles tendent à limiter leur utilité. L'invention se propose de résoudre ces problèmes et de permettre la réalisation d'un circuit intégré comportant plusieurs éléments électriquement isolés les uns des autres, avec une voie unique de conductibilité thermique en direction d'un dispositif 20 d'évacuation calorifique. Elle propose encore un nouveau procédé d'isolement électrique des circuits intégrés à semi-conducteur et des éléments de circuits correspondants, qui procure le résultat ci-dessus en utilisant les techniques de fabrication classique des semi-conducteurs. 25 Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, une pellicule isolante est réalisée sur la surface d'une galette semi-conductrice contenant des circuits intégrés ; on forme sur cette pellicule une couche de matière à conductibilité thermique élevée telle qu'un métal, on enlève cette couche à conductibilité ther-30 mique élevée et la pellicule isolante mince dans les régions où les différents circuits intégrés doivent être séparés les uns des autres, et on enlève sélectivement la matière semi-conductrice sur l'autre face de la galette, tout en reliant la matière à conductibilité thermique élevée à un dispositif approprié d'évacuation de 35 la chaleur. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description ci-aprës. Au dessin annexé : 71 12918 T> 2086028 La figure 1 est une vue en perspective d'une galette semi-conductrice, dans laquelle ont été réalisés plusieurs circuits intégrés interconnectés. Les figures 2 à 6 représentent respectivement la succession 5 des étapes du traitement d'un circuit intégré suivant un mode d'exécution de l'invention. A titre d'exemple, la figure 1 représente plusieurs circuits intégrés 10 réalisés sur un support semi-conducteur 11. Chaque circuit intégré est réalisé sur le support au moyen d'une technique 10 de fabrication bien connue. Par exemple, chaque circuit intégré peut comprendre des tran sistors, des diodes, des résistances ou des condensateurs formés par diffusion d'impuretés sélectionnées dans le support semi-conducteur . 15 Au moyen d'opérations appropriées connues, il est possible de produire une grande variété d'éléments de circuits qui peuvent être interconnectés de façon à constituer un grand nombre de cir-— cuits intégrés sur un seul support semi-conducteur. La figure 2 est une coupe suivant 2-2 de la figure 1, re-20 présentant plus clairement les détails d'un circuit intégré donné à titre d'exemple. En particulier, le support semi-conducteur 11 a une caractéristique du type n avec plusieurs zones de diffusion. Par exemple, le circuit intégré 10 peut comprendre un premier transistor 12 ayant une zone 13 de diffusion du type £ dans laquelle 25 on forme une zone de diffusion 14 peu profonde du type n. A côté du premier transistor se trouve une seconde zone de diffusion du type £ formant une résistance 15. Celle-ci peut être, de la même façon, formée par diffusion d'une impureté dans le support. A la suite de l'opération de diffusion, on forme sur la surface du sup-30 port, par dépôt ou croissance thermique, un revêtement protecteur de passivation 16, par exemple en silice. Des ouvertures sont alors réalisées par gravure à travers la silice pour obtenir le contact électrique avec des parties sélectionnées du support semi-conduc-teur. 35 Les connexions électriques entre les éléments des circuits sont de préférence réalisées en appliquant une couche métallique sur la surface de silice et en gravant, de façon appropriée, la couche métallique pour fournir les interconnexions souhaitées. Par 1 BAD OhitMNAl 71 12918 3 2086028 exemple, comme le montre la figure 2, une connexion électrique est prévue entre la zone 14 du type n et la résistance 15 au moyen d'une pellicule métallique 17 de configuration convenable qui peut par exemple être composée de molybdène, de tungstène, d'aluminium 5 ou d'or. Les techniques de formage de ces interconnexions entre les différents éléments de circuits sont connues et ne seront pas décrites. Suivant un mode d'exécution de l'invention, l'isolement 10 électrique entre les éléments de circuit et la voie de conductibx-lité thermique élevée entre les dits éléments et un dispositif d'évacuation thermique sont réalisés comme le montrent les figures 3 à 6. Tout d'abord une pellicule isolante mince 18 est formée sur la surface dès circuits intégrés. La pellicule 18 peut par exemple 15 être composée d'un oxyde, d'un nitrure ou de combinaisons d'oxydes et de nitrures de silicium, ou de la plupart des autres matières utilisées comme pellicule isolante dans la technique des semiconducteurs . Les exigences essentielles que cette pellicule isolante 20 doit avantageusement satisfaire sont un coefficient de dilatation thermique faible et voisin du coefficient de dilatation thermique du support. Par exemple, les supports en silicium ont des coefficients _ g de dilatation thermique d'environ 5 x 10 cm par cm et par degré C. 25 Bien qu'il soit également souhaitable que la pellicule iso lante ait une conductibilité thermique relativement élevée, cette caractéristique n'est pas nécessaire si l'épaisseur de cette pellicule est suffisamment faible pour que la voie de conduction thermique qu'elle constitue ne soit pas un facteur important dans 30 la détermination de l'efficacité du transfert thermique depuis un circuit intégré vers le dispositif d'évacuation thermique. Par exemple, si la pellicule isolante mince 18 est constituée de nitrure ou de dioxyde de silicium, une épaisseur comprise entre 2000 et 5000 Angstroms fournit une voie de conduction satisfaisante. 35 L'homme de l'art peut facilement se rendre compte qu'on peut utiliser aussi bien des pellicules plus minces que des pellicules plus épaisses. Toutefois, les pellicules plus minces produisent une capa 71 12918 4 2086028 cité en dérivation généralement excessive entre le circuit intégré et l'organe d'évacuation calorifique, tandis que les pellicules plus épaisse,:; produisent des voies à faible conductibilité thermique . 5 Par conséquent, il est souhaitable, en pratique, que l'é paisseur de la pellicule 18 soit compatible avec la capacité en dérivation tolérable et avec la perte calorifique recherchée. Une pellicule de nitrure de silicium peut par exemple être formée commodément sur la surface du circuit intégré par une rëae-10 tion de dissociation thermique de gaz amoniac anhydre circulant sur la surface de la galette tandis que celle-ci est chauffée à une température aussi élevée que le permettent les différents éléments des circuits. Un tel procédé est décrit plus en détail dans le brevet 15 publié aux Etats-Unis d'Amérique sous le n° 3.385.729. Des pellicules de silice peuvent par exemple être produites par dépôt à l'état de vapeur à partir de matières telles que l'hy-drure de silicium (SiH^) et l'oxygène. Sur la surface de la pellicule 18, on forme une couche 19 20 d'une matière ayant une conductibilité thermique élevée et un faible coefficient de dilatation telle que le molybdène, le tungstène, des alliages de molybdène et de tungstène ou autres. La couche 19 peut être formée par diverses techniques connues. Par exemple on peut former une couche de molybdène ou de tungstène sur 25 un circuit intégré par réduction pyrolitique de tétrachlorure de molybdène (MoCl,.) ou d'hexafluorure de tungstène (WFp) respectivement, tandis que le circuit intégré est maintenu à une température d'environ 500° C. En variante, on peut former une couche de molybdène ou de tungstène par projection à partir d'une cathode. 30 Ces différents procédés sont bien connus, on peut toutefois se référer à l'ouvrage intitulé "Microélectronics" de Max Fogiel, publié en 1968 par la Research and Education Association de New-York. En outre, si on le désire, une couche d'un matériau mouil-35 lant, par exemple le nickel non électrolytique, peut être ajoutée pour faciliter la soudure. A titre d'exemple, en supposant que la pellicule 18 soit en nitrure de silicium et la pellicule 19 en molybdène, on donnera à ces couches la configuration désirée au moyen de techniques de 71 12913 5 2086028 gravures photolithographique par exemple, de façon à enlever les pellicules de molybdène et de silicium dans les régions où les différents circuits intégrés doivent être séparés les uns des autres et à laisser non décapées les régions qui recouvrent les 5 circuits séparés. Les techniques de gravure de pellicules métalliques et de pellicules isolantes sont bien connues. On pourra toutefois se référer à une publication de la Société Eastman Kodak intitulée "Photosensitive Resists for Industry", publiée en 1962. La figure 4 représente le support semi-conducteur après en-10 lèvement des pellicules de nitrure de molybdène et dé silicium dans les régions où les circuits intégrés doivent être séparés les uns des autres. Ces régions sont indiquées d'une manière générale par les numéros de référence 20 et 21. Comme -le montre également la figure 4, les conducteurs 22 15 et 23 qui établissent le contact avec le transistor 12 et la résistance 15 s'étendent linéairement sur la surface du support semiconducteur sur une distance suffisante, pour permettre leur liaison à des électrodes des circuits contigus par exemple, ou aux électrodes d'un empilement. Pour achever la séparation des différents cir-20 cuits intégrés, on recouvre la surface du support d'une cire brune représentée par le numéro de référence 24. Le support est alors retourné comme le montre la figure 5. La matière semi-conductrice 11 peut alors être enlevée par gravure photolithographique dans les régions comprises entre les éléments de circuits qui, autrement, 25 seraient court-circuités électriquement par la présence du support semi-conducteur. De manière similaire la matière semi-conductrice 11 peut être enlevée entre les circuits intégrés. En outre, on peut réduire si cela est souhaitable l'épaisseur de la matière 11. 30 Comme le montre la figure 5, le support semi-conducteur 11 est enlevé par gravure dans toutes les zones à l'exception de celles qui entourent le premier transistor 12 et la résistance 15. Chacun des circuits intégrés et des éléments de circuit sont maintenant isolés électriquement les uns des autres mais res- -V 35 tent reliés mécaniquement entre erôx au moyen des pellicules de molybdène et de nitrure de silicium et interconnectés électriquement par les conducteurs 22 et 23. Comme le montre la figure 6, chacun des circuits intégrés 71 12913 6 2086028 est alors enlevé de la cire et connecté de manière appropriée ou relié, de préférence par l'intermédiaire d'une voie à résistance thermique faible, à un dispositif d'évacuation calorifique. Ceci peut être obtenu par soudage à un dispositif d'éva-5 cuation calorifique 25 avec une soudure appropriée ou un alliage eutectique 26, tel que Au-Si, Au-Ge, Ag-Si, Ag-Ge, Sn ou Pb par exemple. De cette manière, un contact thermique commun est réalisé avec tous les éléments de circuits sans nuire à 1'isolement électrique entre eux. Un contact électrique 27 peut alors être obtenu 10 avec la zone du type n du transistor 12 par thermocompression par exemple. Les surfaces nues du semi-conducteur peuvent être alors encapsulées au moyen d'un revêtement protecteur 28, par exemple de la silice. 15 Les conducteurs 22 et 23 peuvent par exemple être connectés aux électrodes 29 et 30 respectivement. D'après la description qui précède, il apparait que l'on a fourni un procédé amélioré d'isolement électrique entre les circuits intégrés et les éléments de circuits, avec une voie de con-20 ductibilité thermique élevée entre le circuit intégré et un organe d'évacuation calorifique. Bien que le procédé n'ait été décrit que dans son application à deux circuits, intégrés, il s'applique également à des configurations plus compliquées comportant un grand nombre de circuits 25 et d'éléments de circuits qui doivent être isolés les uns des autres électriquement. En utilisant le procédé décrit ci-dessus, l'une des principales difficultés actuelles de la technologie des conducteurs en faisceaux est éliminée. 30 II doit être compris en outre que, dans les cas où l'isole ment électrique est, soit inutile, soit obtenu par d'autres moyens, la voie de conductibilité thermique élevée entre les éléments semiconducteurs et un organe de dissipation calorifique peut toujours être obtenue en conformité avec l'invention. 35 Bien entendu, différentes modifications pourront être ap portées au montage décrit et représenté sans s'écarter de l'esprit de 1'invention. 71 12918 ^ 2086028 REVENDICATIONS 1) - Procédé de réalisation d'un isolement électrique entre des éléments de circuits intégrés sur un support semi-conducteur et d'obtention d'une voie à conductibilité thermique élevée com- 5 mune vers un organe de dissipation calorifique caractérisé par les opérations de formation d'une pellicule isolante sur la surface des éléments de circuits intégrés, de formation d'une couche de matière thermiquement conductrice sur cette couche isolante, d'enlèvement de portions sélectionnées du support semi-conducteur 10 entre les éléments de circuits intégrés pour fournir un isolement électrique entre eux et de réalisation d'une voie à faible résistance thermique entre cette matière thermiquement conductrice et l'organe de dissipation calorifique. 2) - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce 15 que la pellicule isolante a une épaisseur comprise entre 2000 et 5000 Angstroms. 3) - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la matière à conductibilité thermique élevée est métallique. 4) - Procédé suivant la revendication 17 caractérisé en ce 20 que la matière à conductibilité thermique élevée est prise dans le groupe composé du molybdène, du tungstène et des alliages de molybdène et de tungstène. 5) - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les dites portions sélectionnées du semi-conducteur sont en- 25 vées par gravure photolithographique. 6) - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule isolante est composée de silice, d'un nitrure de silicium ou d'une combinaison de silice et de nitrure de silicium. 7) - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce 30 que l'opération d'enlèvement de portions sélectionnées du support semi-conducteur est suivie par une opération d'encapsulation des éléments de circuits intégrés au moyen d'un revêtement protecteur. 8) - Combinaison d'un circuit intégré à semi-conducteur avec un organe de dissipation calorifique, caractérisée en ce 35 qu'elle comporte un support semi-conducteur sur une surface duquel sont formés des éléments de circuits, une pellicule isolante recouvrant cette surface et une matière thermiquement conductrice recouvrant ladite pellicule isolante, de façon à transmettre la 71 12918 8 chaleur engendrée par les éléments de circuits vers 1?organe de dissipation thermique. 9) - Combinaison suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la dite matière thermiquement conductrice est sélection- 5 née dans le groupe composé du molybdène, du tungstène et de leurs alliages. 10) - Combinaison suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la dite pellicule isolante est sélectionnée dans le groupe composé du nitrure de silicium, de la silice et de leurs 10 combinaisons. 11) - Combinaison suivant la revendication 10, caractérisée en ce que la dite pellicule isolante a une épaisseur comprise entre 2000 et 5000 Angstroms. 12) - Combinaison suivant la revendication 10, caractérisée 15 en ce que la dite matière thermiquement conductrice est sélectionnée dans le groupe composé du molybdène, du tungstène et de leurs alliages.