Brevet FR2135152A1 — publié le 19721215

S 2135152 La présente invention concerne d'une manière générale les dispositifs à circuits intégrés et plus particulièrement un système d'interconnexion à métallurgie à conductivité élevée destiné aux dispositifs à semiconducteurs. La miniaturisation progressive des dispositifs à semiconducteurs exige 5 des systèmes métallurgiques d'interconnexion à conductivité élevée, d'encombrement de plus en plus réduit et d'efficacité de plus en plus grande. Un tel système est décrit par exemple dans la demande de brevetfrançais n° 7041263 déposée le 9 Novembre 1970 par la demanderesse et intitulée "dispositifs semiconducteurs" comportant une bande de métallurgie composite et leur procédé 10 de fabrication". Ce système comporte des films de tantale entourant une bande conductrice d'or. La fonction essentielle du tantale consiste à conférer à l'or l'adhérence requise sur les couches isolantes. L'un des problèmes soulevés par ce genre de système de métallurgie réside dans la tendance que présente l'or et le tantale à s'allier aux températures de mise en oeuvre 15 ce qui accroît la résistance électrique de la couche d'or. Un système amélioré consiste à déposer du tantale Bêta par pulvérisation en courant continu tel que décrit dans la demande de brevet précitée. Bien que l'emploi du tantale Bêta résolve le problème soulevé par la formation de l'alliage d'or et de tantale, on a constaté qu'il se produisait au point de contact, la 20 formation d'une certaine^quantité d'alliage entre le silicium semiconducteur et l'or, même en utilisant le tantale'Bêta. On a constaté que l'on pourrait rendre plus efficace l'isolement assuré par la couche inférieure de tantale en l'exposant à l'air pour former une mince couche d'oxyde avant le dépôt de l'or. La présente invention consiste en un système de métallurgie à haute 25 conductivité ainsi que son procédé de préparation, qui non seulement, est très efficace pour obtenir des bandes conductrices d'or adhérentes et évite la formation d'alliage d'or et de tantale mais qui en outre assure une protection efficace empêchant l'alliage de l'or et du silicium de se former sans qu'il soit nécessaire de procéder à une oxydation ou à tout autre traitement 30 de la couche de tantale. Conformément à la présente invention on dispose d'une méthode de formation d'un système d'interconnexions électriques adhérentes destinées à un dispositif semiconducteur consistant à déposer une couche de tantale azote sur le dispositif et à former une couche d'or sur la face supérieure de 35 la couche de tantale azote. Un autre objet de l'invention consiste en un système d'interconnexions électriques amélioré destiné à un dispositif semiconducteur et composé d'une couche d'or revêtu sur au moins une de ses faces d'une couche de tantale azote. 40 [_a figure 1 représente une coupe d'un dispositif semiconducteur comportant 72 11405 2 2135152 un système d'interconnexions électriques d'or et de tantale-azote , ayant une conductivité élevée et lié audit dispositif par la méthode de la présente invention. La figure 2 représente un graphique traduisant la variation de la résis- 5 tance par rapport au temps d'une bande conductrice d'or et de tantale-azote -3 préparée sous une pression d'azote de 10 torr. Les figures 3 à 5 représentent les courbes traduisant la variation à température élevée de la résistance par rapport au temps des bandes conductrices d'or et de tantale-azote formées conformément à la présente invention -3 -3 10 sous des pressions d'azote respectivement de 2,5 x 10 ,5x10 et 20 -3 x 10 torr. Eàa figure 1 représente la coupe d'un système métallurgique. Un substrat 11 de matériau semiconducteur tel que du silicium de conductivité du type P contient une région N 13 formée dans le susbtrat 11 par diffusion classique, 15 par exemple à travers une fenêtre ménagée dans une couche de dioxyde de silicium qui n'BSt pas représentée sur la figure. Le substrat 11 peut servir de collecteur au transistor et la région 13 fonctionne comme base du transistor. On forme une région P 15 dans la région 13 par diffusion classique par exemple à travers une fenêtre ménagée dans une couche de dioxyde de 20 silicium qui n'est pas représentée sur la figure. La région 15 peut servir d'émetteur du transistor. Après formation des régions diffusées on forme sur la surface du substrat 11, une couche isolante 17, de dioxyde de silicium ou de nitrure de silicium par exemole, selon des techniques classiques. On forme des fenêtres 19 dans la couche 17 qui serviront de point de contact 25 sur le substrat 11 et les régions 13 et 15. On forme des contacts de sili-ciure de platine 23 sur la surface de silicium par l'intermédiaire des fenêtres 19. On dépose ensuite une couche 25 de tantale-azote sur la couche isolante 17 et sur les contacts 23. On dépose de préférence la couche de tantale-azote par pulvérisation en courant continu de tantale dans une atmos-30 phère d'azote. On dépose ensuite un film d'or sur la couche de tantale-azote 25 de préférence par pulvérisation en courant continu dans la même enceinte de pulvérisation. Les bandes conductrices 29, 31 et 33 sont ensuite formées en bandes distinctes par attaque des couches d'or et de tantale-azote selon une technique classique. On peut également former une deuxième couche 35 35 de tantale-azote de manière analogue à la couche 25, cette couche 35 se trouvant sur la bande conductrice d'or afin d'assurer les caractéristiques d'adhérence de barrière qui peuvent être requises pour la couche d'or. Il convient de noter que la couche 35 peut également être formée de tantale Bêta pur si l'on désire assurer l'adhérence d'une couche de recouvrement, 40 par exemple une seconde couche isolante si on emploie des systèmes de connexion 72 11405 3 2135152 électrique multi-couches dans le cas où les caractéristiques de barrière du tantale-azote ne sont pas nécessaires. Les déoôts d'or et de tantale-azote s'effectuent de manière convenable par pulvérisation réactive à l'aide d'un appareil de pulvérisation à 5 courant continu dans une chambre d'ionisation classicue contenant du gaz sous pression réduite. L'appareil utilisé en particulier nour les déoôts dans les exemples qui suivent comporte trois cathodes refroidies à l'eau que l'on peut utiliser séparément pour déposer différents matériaux sans avoir à changer de cathode 10 ou sortir les substrats de l'enceinte. Le support de substrat peut tourner pendant les déoôts et conroorte un circuit de refroidissement qui permet de refroidir les substrats après dépôt. Pour chauffer le substrat, on utilise des lampes iodisées à quartz. On a effectué le dépflt de tantale-azote alors que le support était fixe et les dépôts d'or avec le support 25 en rotation. Des écrans verticaux isolent les trois cathodes et des volets mobiles disposés entre la cathode et le support de substrat permettent une pré-pulvérisation pour procéder au nettoyage de la cathode immédiatement avant le dépôt. Le support de substrat est isolé électriauement et est branché à une alimentation continue qui fournit au support de substrat la 20 tension de polarisation ^requise. On a utilisé pour réaliser les dépôts des cathodes de tantale et d'or refroidis à l'eau dont la pureté était respectivement de 99,99 et 99,999% Une pompe à diffusion à huile piégée dans un liquide d'azote permet d'obtenir un vide à 2 x 10 ^ Torr avant dépôt et _ g 5 x 10 torr après dépôt. 25 on réalise les dépôts de tantale- azote en réduisant la pression à _g environ 5 x 10 torr et en introduisant ensuite de l'azote Cd'une pureté de 99,9%] dans l'enceinte jusau'à obtenir le niveau de dopage requis. On -3 a constaté que des niveaux de dooage d'au moins 2,5 x 10 torr donnent un tantale-azote présentant les caractéristiques de barrière appropriées qaui 30 évitent la formation d'alliage or-silicium. Une pression partielle d'azote -3 optimale d'environ 5 x 10 torr donne un film de tantale-azote contenant environ une proportion atomioue de 33% d'azote. Bien que l'on puisse adopter -3 des pressions d'azote plus élevées par exemple 20 x 10 torr, pour obtenir des films contenant environ 50% d'azote, des pressions plus élevées ne sont 35 pas nécessaires pour obtenir les caractéristiques de barrière requises. L'analyse de la structure des couches de tantale-azote déposées dans uns -3 atmosphère contenant 5 x 10 torr d'azote révèle une structure cristalline compacte qui pense-t-on conditionne les caractéristiques d'alliage supérieures que l'on obtient. 40 Après avoir établi la pression d'azote que l'on a choisi3 on admet 72 11405 4 2135152 de l'argon afin d'amener la pression dans l'enceinte à environ 70 microns de mercure et on effectue une pré-pulvérisation de tantale de 10 minutes sous 2,5 KV et 50 milliampères, le volet étant fermé et le support de substrat étant en rotation. Le chauffage maintient la température à 250°C. On arrête 5 le support devant la cible de tantale. On commence alors le dépôt de tantale-azote à une vitesse d'environ 7 A/seconde, à une température d'environ 250°C et sous une tension de oolarisation de - 10C volts, puis le chauffage est coupé. On régie la tension de la cathode à 2 KV et on ajuste la pression entre 65 et 75 microns afin de produire un courant de 300 milliampères. 10 La température de la pastille s'élève à près de 500°C pendant le dépôt. Après dépôt d'un film de l'épaisseur reouise, par exemple de 1000 à 2000 A environ, on extrait l'azote et on pré-pulvérise de l'or pendant 10 -3 minutes dans une atmosphère d'argon pur sous une pression de 00 x 10 torr environ, le volet étant fermé et le chauffage branché pour amener la 15 température du substrat à 250°C. On déoose ensuite une couche relativement plus épaisse d'or à une vitesse d'environ 11Â/seconde, le support de substrat étant en rotation à environ 35 tours/minute sous uns tension de polarisation de -100 volts. La tension de la cathode est d'environ 2 KV, la pression 20 étant réglée à environ 80 microns de mercure de manière à obtenir une intensité de 400 milliampères environ. On obtient une couche d'or d'une épaisseur d'environ 7000 A par exemple, en 11 minutes approximativement. La température de la pastille ne dépasse pas 250°C pendant le dépSt. On peut ensuite déposer une deuxième couche de tantale-azote comme 25 indiqué ci-dessus. Pour la couche supérieure, si l'on ne recherche que l'adhérence, on peut déposer du tantale Bêta pur. On peut utiliser une couche de recouvrement de tantale-azote dans la métallurgie des bornes de branchement si on exige d'éviter la formation d'alliage d'or pendant le reflux de la soudure lors de la liaison de la pastille. 30 0'autres objets, caractéristioues et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exDosé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent des exemples de réalisation préférés de celle-ci. EXEMPLE I 35 Barrière s'opposant à la diffusion de l'or: Afin de juger de l'efficacité de la couche de protection de tantale-azote avec laquelle on évite la réaction de l'or et du silicium, lorsque l'on dépasse la température eutectique de 370°C, on a métallisé des transistors d'une structure analogue à celle représentée sur la figure 1 avec du 40 tantale-azote et de l'or en faisant appel au procédé de pulvérisation défini ci-dessus. On a déposé le tantale-azote sous des pressions partielles d'azote 72 11405 5 2135152 variées (échantillons A à K). Après dépôt, on a traité les transistors à 450°C dans un four à atmosphère réductrice d'hydrogène et d'azote pendant des temps s'élevant jusqu'à 30 heures. On a examiné les échantillons au moyen d'un microscope optique. Lorsque l'or avait diffusé à travers le tantale-5 azote pour s'allier au silicium, on détectait facilement un aspect d'alliage teinté. Le tableau I ci-après indique l'état du dispositif à différents moments au cours du traitement thermique. La couche de tantale a été déposée sous 2 KV, 300 milliampères de polarisation (-100 V), et une température initiale du substrat de 250°C, la pression partielle d'azote variant selon -3 10 les échantillons, de 0 à 20 x 10 torr. La pastille soumise à l'essai contenait 100 à 200 transistors. Comme indiqué dans le tableau I, les dépôts réalisés sous une pression -3 d'azote de 2,5 x 10 torr ou sous une pression supérieure ont passé le test sans aucune formation d'alliage après 30 heures. A partir des résultats -3 15 de cet essai on a choisi une pression d'azote de 5 x 10 torr comme condition optimale de dépôt afin d'assurer une marge de sécurité pour l'efficacité de la protection (due à la caractéristique de barrière]. On a testé les caractéristiques électriques de dispositifs comportant des couches de protec- -3 tion de tantale-azote formées sous une pression de 5 x 10 torr. Après 20 chauffage à 450°C pendant une période pouvant atteindre 12 heures dans une atmosphère gazeuse réductrice on n'a pu voir aucun effet nocif excerccé par le chauffage sur les caractéristiques électriques. EXEMPLE II Stabilité de la conductivité de l'or. 25 Non seulement le tantale-azote évite la formation d'alliage or-silicium, mais il Bmpêche efficacement l'inter-action entre le tantale et l'or qui conduirait è une réduction de la conductivité de l'or. Les courbes des figures 2, 3, 4 et 5 représentent les variations de la résistivité de l'or en fonction du temps et de la température. On a déposé des films composites d'or (6000 30 à 7000 A) et de tantale-azote, comme décrit ci-dessus, sur des pastilles recouvertes de dioxyde de silicium, et ce sous une pression.d'azote variant de 0 à 20 x 10-3 torr. Certains échantillons ont été traités à 450°C dans un gaz de formation pendant 30 heures. D'autres échantillons ont subit un traitement thermique pendant 21 heures à 550°C. On a périodiouement extrait 35 des échantillons du four et l'on a mesuré leur résistance avec une sonde à quatre points conformément aux méthodes classiques dans ce domaine. On constate sur la figure 2 qu'il se oroduit une réduction sensibls de la conductivité de l'or dans le cas des échantillons pour lesquels le dépôt a été effectué sous une pression d'azote nulle et sous une pression -3 40 d'azote de 1 x 10 torr. On constate en outre, sur les figures 3 a 5, que 72 11405 6 2135152 TABLEAU I 5 TRANSISTORS METALLISES Al! TANTALE-AZOTE ET A L'OR CB000 à 7000 A) ET EXAMINES AU MICROSCOPE POUR RECHERCHER LA FORMATION D'ALLIAGE APRES CHAUFFAGE. Référence de l'échantillon Film Tantale Azote Epaisseur Pression d'azote Cen torr] Etat du dispositif après traitement thermique à une température de formation de 450°C. 10 A 1290A 0 Au bout d'une heure tous les dispositifs revèlent la présence d'alliage. 15 B 1095A 5 x 10"4 Au bout d'une heure tous les dispositifs révèlent la présence d'alliage. C 1260A 1 x 10-3 Au bout de 13 heures aucune formation d'alliage. 20 Au bout de 30 heures, environ 5% révèlent la présence d'alliage. D 1145A 1 x 10"3 Après 9 heures environ 90% révèlent la présence d'alliage. 25 E 1025A 2,5 x 10-3 /\u bout de 30 heures aucun dispositif ne révèle la présence d'alliage. F 1325A 5 x 10"3 H H » G 1005A 5 x 10~3 Il »» M H 1285A 7,5 x 10~3 n n H 30 I 9B0A 10 x 10~3 II II n J 96 0A 15 x 10~3 M If M K 1000A 20 x 10"3 H tt » dans le cas des films déposés sous uns pression d'azote de 2, 5 x 10 torr, ou supérieure, la conductivité de l'or augmente par l'effet du traitement thermique, l'amélioration étant plus rapide à une temoérature de 550°C. On pourrait également constater à l'oeil nu une décoloration de l'or sur les échantillons déposés sous une pression d'azote insuffisante. On a décrit dans ce qui Drécède un système de métallurgie à haute conductivité destiné aux dispositifs à semiconducteur qui font appel à une couche de protection au tantale-azote. Non seulement ces deux couches assurent 72 11405 7 2135152 l'adhérence des bandes conductrices d'or sur les couches isolantes sous-jacentes mais évitent en outre laùiffusion de l'or à travers la couche de tantale et son alliage avec le silicium semiconducteur oar exemple. Ceci peut être réalisé oar un simple dénôt de tantale dans une atmosphère d'azote sans exiger un traitement spécial ou séoaré du film de tantale Dour obtenir les caractéristiques de barrière ou de Drotection. De olus, la couche de tantale-azote ne forme aucun alliage d'or et de tantale aux températures de traitement. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiaues essentielles 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. 72 11405 8 2135152 REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'interconnexions électriques à haute conductivité du genre de ceux qui sont situés sur la surface d'un dispositif semiconducteur, caractérisé en ce que les interconnexions électriques sont constituées par 5 des bandes conductrices comportant une couche de tantale-azote située au-dessous d'une couche d'or, la couche de tantale-azote Bsrvant de couche de barrière à la diffusion de l'or. 2.- Dispositif semiconducteur du genre comprenant: un substrat d'un premier type de conductivité, 10 au moins une région, d'un deuxième type de conductivité opposé au premier, formée dans le substrat et communiquant avec une surface de ce substrat, une couche isolante située sur au moins une partie de la surface du substrat et sur la surface de la ou des régions, cette couche isolante 15 comportant certaines ouvertures pour mettre à. nu une partie déterminée du substrat et une partie déterminée de la ou des régions, une couche de tantale-azote déposée sous forme de bande, sur la couche isolante et dans les ouvertures, cette couche servant de couche de barrière à la diffusion d'or, 20 une couche d'or s'étendant sur la couche de tantale-azote, cette couche permettant de réaliser des contacts ohmiques avec le substrat et la ou les régions et ce, à travers la couche de tantale-azote. 3.- Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le substrat est du silicium Bt la couche isolante est constituée par un corps choisi dans le groupe comprenant le dioxyde de siliciun et le nitrure de silicium. 4.- DisDositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'une deuxième couche de tantale-azote est déposée sur la couche d ' or. 5.- Procédé de fabrication d'interconnexions électriques, à haute conductivité électrique et adhérentes, sur un dispositif semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: dépôt d'une première couche de tantale-azote sur la surface du dispositif semiconducteur, cette couche étant une couche de fcaKK\ère à la diffusion de l'or, formation d'une couche d'or sur la couche de tantale-azote. 72 11405 S 2135152 enlèvement de certaines parties des couches d'or et de tantale-azote pour définir une configuration de lignes conductrices. 6.- Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que la couche de tantale-azote est déposée par pulvérisation réactive en utilisant une cathode de tantale dans une pression d'azote. 7.- Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la pression -3 partielle d'azote est au moins égale à 2,5 x 10 Torr. Q.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 caractérisé en ce qu'il comporte l'étape suivante: dépôt d'une deuxième couche de tantale-azote sur la couche d'or. 9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 6 caractérisé en ce que_la première couche de tantale-azote est déposée sur une couche isolante située sur un substrat en silicium.