Brevet FR2134172A1 — publié le 19721208

-i- 2134172 La présente invention concerne un procédé d'établissement de connexions internes dans un dispositif semi-conducteur"monolithique à structure plane comportant des conducteurs métalliques déposés en au moins deux couches successives séparées par une couche 5 d'isolant. Les dispositifs semi-conducteurs relevant de la technique des circuits intégrés comportent de multiples connexions internes. Une structure d'interconnexions à plusieurs niveaux est généralement adoptée : une première configuration de conducteurs est réalisée 10 par dépôt sur la surface du dispositif, une couche isolante est ensuite déposée et des fenêtres sont ouvertes dans cette couche aux points de contact voulus puis une seconde configuration de con ducteurs est réalisée par dépôt sur la couche isolante et simultanément sur les plages de la première couche mises à nu par l'ouver 15 ture des fenêtres. Cette structure, dite multicouche, dont la mise en oeuvre nécessite un équipement important se justifie par la fabrication de séries importantes. Mais certains appareillages, comportant par exemple des fonctions logiques multiples, font appel au contraire à un gr-âad nom-20 bre de dispositifs complexes, tous de structure analogue, mais dont les circuits diffèrent et exigent des configurations de conducteurs différentes les unes des autres. C'est le cas notamment des mémoires permanentes, appelées aussi mémoires mortes, ou passives, dans lesquelles des informations sont enregistrées une fois 25 pour toutes et peuvent être lues, mais non effacées : ces mémoires sont constituées de diodes et/ou de transistors intégrés dans une plaquette monolithique. On a cherché à réaliser ces mémoires à partir d'une matrice de base dont le réseau de conducteurs et de jonctions comprend au moins les conducteurs et les jonctions de la 30 mémoire à réaliser, cette matrice donnant lieu ensuite soit à une opération de destruction des connexions superflues, soit à une opération établissant les connexions manquantes. Un premier procédé de réalisation de telles mémoires, dites programmables par l'utilisateur, consiste à prévoir pour chacune 35 des connexions possibles dans le réseau de la matrice de départ, un conducteur de connexion présentant un point faible pouvant faire fonction de fusible. Des impulsions de courant envoyées sélectivement dans les connexions à supprimer provoquent la vaporisation du fusible et l'ouverture du contact correspondant. Cette 40 technique présente de gros risques de dégradation des éléments 71 14550 -2- 2134172 actifs semi-conducteurs liés à la connexion supprimée. Les courants nécessaires à la vaporisation du fusible ont des intensités élevées et la dissipation de chaleur peut endommager les éléments actifs les plus voisins; l'isolement peut avoir également à souf-5 frir dans toute la région de dissipation de chaleur. Certaines connexions devant être maintenues risquent d'être détruites par des courants passant par des trajets de fuite. Les connexions présentant une partie amincie occupent, en outre, une surface de plaquette semi-conductrice non négligeable, qui s'ajoute à celle des élé-10 ments actifs, alors qu'une surface totale minimale est souhaitable. De plus, il subsiste un risque de fermeture inopinée des contacts qui ont été ouverts, la tension de claquage de ces coupures restant aléatoire, et le courant de fuite risque aussi d'être important . 15 Un autre procédé oonsiste à partir d'une matrice de base où, à la place de chacune des interconnexions éventuellement nécessaires, sont insérées des diodes, ou des paires de diodes en opposition. L'établissement des contacts voulus, primitivement tous ouverts, s'effectue en amenant les diodes correspondantes au régime 20 d'avalanche, provoquant ainsi un court-circuit des jonctions. Ce procédé nécessite ainsi un grand nombre de jonctions semi-conductrices supplémentaires, ce qui augmente la complexité du dispositif et diminue d'autant sa fiabilitéi ces jonctions exigent aussi une surface de plaquette semi-conductrice supplémentaire et augmen-25 tent d'autant l'encombrement du dispositif. Les courts-circuits établis entre régions semi-conductrices gardent une résistance élevée. De plus, l'isolement des contacts qui doivent, rester ouverts nécessite une polarisation qui.peut être indésirable pour le circuit réalisé. 30 La présente invention a pour but de pallier les inconvénients des procédés mentionnés ci-dessus et de réaliser des interconnexions dans un dispositif semi-conducteur à structure plane, par des opérations simples à effectuer, ne nécessitant pas un appareillage spécifique important et pouvant être mises en oeuvre même 35 après encapsulation du dispositif. Un autre but de l'invention est de réaliser des connexions, à l'intérieur d'un dispositif semi-conducteur, sans risque de détérioration des éléments actifs du dispositif, sans dégagement excessif de chaleur et en mettant en oeuvre dans les éléments actifs 40 des courants d'intensité minimale. 71 14550 -3- 2134172 Un autre but de l'invention est de réaliser différents dispositifs semi-conducteurs comportant des éléments actifs et un réseau de connexions, à partir d'une matrice de base dont les contacts de connexion sont ouverts, pour être ultérieurement fermés 5 suivant les besoins de chaque dispositif. Selon l'invention, le procédé d'établissement de connexions internes dans un dispositif semi-conducteur monolithique à structure plane comportant des conducteurs métalliques déposés.en au moins deux couches successives séparées par une couche d'isolant 10 est remarquable notamment en ce que des contacts entre conducteurs appartenant à deux couches séparées par ledit isolant sont établis en des points déterminés en ouvrant dans ladite couche d'isolant des fenêtres mettant à nu au moins auxdits points déterminés des plages d'une première couche de conducteurs métalliques, en formant 15 à la surface desdites plages une mince couche d'oxyde diélectrique, en déposant une seconde couche de conducteurs métalliques, et en appliquant ultérieurement entre les deux conducteurs situés de part et d'autre de ladite couche d'oxyde diélectrique auxdits points déterminés, une tension au moins égale à la tension de percement 20 de cette couche d'oxyde diélectrique. Le procédé selon l'invention met en oeuvre pour chaque contact à établir une énergie très faible, comparativement à l'énergie mise en oeuvre pour la vaporisation d'un fusible, et les risques de détérioration des éléments actifs voisins où des isolements par la 25 chaleur dissipée sont éliminés. Le procédé est compatible avec les procédés de réalisation de structures dites multicouches; les contacts étant établis directement entre les couches de conducteurs, ne nécessitent aucune sur-■ face de plaquette supplémentaire, l'encombrement est minimal. Le 30 procédé ne nécessite pas la réalisation de jonctions, de diodes supplémentaires et la fiabilité du dispositif n'en est pas diminuée. Le percement d'une couche d'oxyde diélectrique très mince, sur une très petite surface, permet d'obtenir un contact de résistance très faible. L'isolement aux points où le contact n'est pas établi 35 est un isolement par diélectrique préférable aux isolements par jonctions polarisées en inverse que nécessitent des procédés connus : le courant de fuite est minimal et il n'y a pas de risque de fermeture inopinée d'un contact, tant que la tension appliquée entre conducteurs de part et d'autre de la couche d'oxyde diélec-40 trique reste inférieure à la tension de percement'de cette dernière. 71 14550 2134172 ta nature et l'épaisseur de la couche d'oxyde diélectrique sont déterminées en vue dfobtenir une tension de percement de valeur minimale, mais supérieure aux tensions susceptibles d'être appliquées en service entre des conducteurs non interconnectés. 5 Selon un mode préférentiel de mise en oeuvre, la couche d'oxy de diélectrique, formée à la surface des plages découvertes de la première couche de conducteurs métalliques, est obtenue par oxydation superficielle de cette couche sur toute la surface desdites plages. Ce mode de mise en oeuvre est simple et fait appel â des 10 opérations de technique courante dans la fabrication des dispositifs semi-conducteurs. Lorsque les conducteurs métalliques sont en aluminium, la couche diélectrique est formée par oxydation de ce métal et est essentiellement constituée d'alumine. Avantageusement, dans le cas de conducteurs en aluminium, 15 l'oxydation superficielle assurant la formation de la couche diélectrique est une oxydation par trempage dans un bain oxydant, en l'absence de tout apport extérieur de courant. Par exemple dans le cas de l'aluminium, le bain oxydant est principalement constitué d'acide nitrique fumant. 20 Ce procédé d'oxydation, sans application d'une tension de po larisation extérieure, est un des plus simples à mettre en oeuvre et évite d'avoir à établir tous les contacts que nécessite l'oxydation anodique de l'aluminium pratiquée habituellement. Lorsqulme couche de conducteurs comporte de multiples portions isolées les 25 unes des autres, la nécessité de prendre un contact sur chaque portion entraîne de grandes difficultés en raison des petites dimensions des dispositifs. La couche d'oxyde obtenue par le procédé préférentiel mentionné ci-dessus présente une épaisseur et une structure régulière et 30 les conditions d'attaque déterminant ces caractéristiques sont reproductibles. Eventuellement, un traitement de stabilisation de la couche d'oxyde est pratiqué pour améliorer sa qualité diélectrique et, par suite, la régularité et la stabilité de la valeur de la tension de percement de cette couche. 35 D'autres oxydes que ceux du métal constituant les conducteurs peuvent être utilisés dans le procédé selon l'invention. Ces oxydes sont choisis en fonction de la maîtrise de leur rigidité diélectrique, en vue d'améliorer les tolérances sur la valeur de la tension nécessaire au percement de la couche diélectrique aux 40 points de contacts voulus. Par exemple des conducteurs peuvent 71 14550 -5- 2134172 être réalisés par dépôt d'aluminium, une couche d'un autre métal par exemple le titane, le tantale, l'hafnium, le niobium, le zir-conium, est déposée sur les conducteurs au moins sur les plages mises à nu par l'ouverture des fenêtres dans la couche isolante, 5 puis ce métal est oxydé sur toute la surface de ces plages et la seconde couche de conducteurs d'aluminium est déposée. Selon, une autre variante du procédé, la couche d'oxyde diélectrique est formée par dépôt direct d'un oxyde, par exemple par décomposition d'un composé organo-métallique en phase vapeur. 10 La présente invention concerne également des dispositifs semi conducteurs monolithiques à structure plane comportant des conducteurs métalliques déposés en au moins deux couches successives séparées par une couche d'isolant et dont la réalisation fait appel au procédé conforme à la présente invention. Ces dispositifs sont 15 remarquables principalement en ce que des conducteurs appartenant à deux couches séparées par ledit isolant peuvent être mis en contact en certains points à travers une mince couche d'oxyde diélectrique localisée sur des surfaces limitées par des fenêtres ouvertes dans ladite couche d'isolant. 20 Les dispositifs semi-conducteurs selon l'invention peuvent remplir toutes les fonctions possibles des circuits intégrés de structure connue. Une application particulièrement avantageuse de ces dispositifs concerne les matrices mémoires et notamment les mémoires mortes. Le procédé selon l'invention se prête à la réalisa-25 tion de ces mémoires en les rendant programmables postérieurement à leur fabrication, au besoin par l'utilisateur. En effet une matrice de base de la mémoire peut être réalisée sans que les contacts entre conducteurs soient établis. Les' contacts sont fermés aux points voulus par percement de la couche d'oxyde diélectrique 30 selon un "programme" déterminé en. fonction de l'utilisation. Des mémoires mortes programmables, à diodes et/ou à transistors,réalisées selon l'invention sont aisément terminées par l'utilisateur en fonction de ses besoins, en appliquant les tensions nécessaires aux bornes correspondant aux conducteurs entre lesquels un contact 35 doit être établi. Ces mémoires sont réalisées par exemple à partir d'une matrice en XY, les tensions sont appliquées entre la ligne et la colonne de l'élément logique à mettre en circuit, les conducteurs correspondant étant électriquement accessibles de l'extérieur du boîtier contenant la matrice mémoire. 71 14550 -6- 2134172 Quoique les matrices dites programmables constituent une des applications les plus avantageuses de l'invention, celle-ci peut aussi s'appliquer dans tous les cas de circuits intégrés où des connexions doivent être établies à postériori, même après encapsula-5 tion du dispositif dans un boîtier étanche. La description qui va suivre en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une coupe d'un contact établi entre deux con-10 ducteurs. La figure 2 est une vue en plan dtin transistor intégré dans un circuit monolithique et branché au moyen d'une connexion réalisée selon l'invention. La figure 3 est une coupe d'un transistor analogue à celui de 15 la figure 2. La figure 4 est un schéma de matrice mémoire programmable utilisant des transistors. Le dispositif semi-conducteur représenté en coupe partielle sur la figure 1 est réalisé dans une plaquette 11 de silicium par 20 exemple. Après les différents traitements d'épitaxie, de diffusion qui peuvent être exigés pour l'obtention des différentes régions et jonctions du dispositif, il s'est formé à la surface de la plaquette une couche isolante lf, d'oxyde de silicium. Des fenêtres sont ouvertes dans cette couche et des contacts sont pris à travers ces 25 fenêtres en déposant par exemple par évaporation sous vide une couche métallique 12 généralement d'aluminium. Cette couche 12 est limitée, en surface, à un premier réseau de conducteurs, cette limitation étant de préférence' effectuée par photogravure. Une nouvelle couche isolante 13 est déposée sur la plaquette et recouvre le pre-30 mier réseau de conducteurs. Cette couche isolante 13 est épaisse et sa tension de percement est du même ordre que celle des couches intermédiaires isolantes des circuits multicouches, couramment plus de dix fois plus élevée que la tension maximale susceptible d'être appliquée entre deux couches conductrices. 35 Des fenêtres 14 sont ouvertes dans la couche 13 aux endroits où doivent être établis des contacts, entre la couche métallique 12 et un conducteur d'une autre couche métallique. Les fenêtres 14 sont ouvertes par les procédés habituels de photogravure, les opérations nécessaires étant complétées au besoin par un traitement de 40 nettoyage de la surface.conductrice mise à nu. Une couche mince 71 14550 -7- 2134172 d'oxyde diélectrique 16 est formée sur les surfaces de la couche 12 mises à nu par l'ouverture des fenêtres et en particulier sur celles où doivent être réservées des possibilités de contact, même après que les conducteurs aient été rendus inaccessibles. 5 Avantageusement, l'opération de nettoyage de la surface con ductrice et la formation d'une couche d'oxyde diélectrique sont réduites en une seule opération de décap'age par trempage dans un bain oxydant. Une seconde couche conductrice 15 est déposée sur la plaquet-10 te et limitée à un réseau de conducteurs selon la même technique que la couche 12. Cette couche 15 vient recouvrir l'oxyde diélectrique 16 qui l'isole de la couche 12 sur des surfaces correspondant aux fenêtres 14. Pour établir un contact entre les conducteurs des deux cou-15 ches 12 et 15 aux endroits voulus, des impulsions de tension sont appliquées entre ces conducteurs de façon à percer le diélectrique 16. Dans un exemple de contact réalisé comme il vient d'être décrit, les deux couches de conducteurs d'aluminium évaporé sous vi-20 de, de chacune 1 à 1,2 micron d'épaisseur, sont séparées par une couche d'oxyde de silicium d'environ 1 micron d'épaisseur. La couche d'oxyde diélectrique'est formée dans des fenêtres sensiblement carrées de 15 microns de côté, par immersion de la plaquette dans un bain d'acide nitrique fumant, à la température ambiante, pendait 25 15 minutes. La couche diélectrique formée à une tension de claque-ge supérieure à 10 volts et inférieure à 15 volts et, entre les deux conducteurs séparés par la couche diélectrique, le courant de fuite est de l'ordre de 1 yA sous une tension de 3 volts. Les contacts sont fermés par des impulsions de tension de valeur maximale 30 de 13 à 15 volts et de 1 mA au maximum, le claquage leur donne une résistance inférieure à 10 fi. Des contacts ménagés dans une plaquette semi-conductrice comme il vient d'être décrit, trouvent leur application dans des mémoires mortes programmables telle que la matrice mémoire dont le 35 schéma est donné sur la figure 4. Cette mémoire est réalisée à partir d'une matrice XY comportant des transistors disposés suivant des lignes et des colonnes et dont les bases sont interconnectées, par colonnes. Les émetteurs sont interconnectés par lignes, mais les informations que doit contenir la mémoire y sont inscrites en 40 y opérant une sélection déterminée des transistors à mettre en 71 14550 2134172 circuit. La sélection est faite sur les connexions d'émetteurs : certaines doivent être établies comme en 43, certaines doivent être omises comme en 44. Chaque transistor peut se présenter par exemple selon le plan 5 de la figure 2 (pour laquelle on a aupposé transparentes les couches isolantes). Le substrat 21 joue ici le rôle de collecteur dans lequel est diffusée la base 24. Dans cette base est diffusé l'émetteur 25. Une première couche isolante recouvre la plaquette et des ouvertures sont pratiquées dans cette couche isolante pour 10 découvrir une plage 28 à la surface de chaque émetteur 25 et deux plages 26a et 26b à la surface de chaque base 24. Une première configuration de conducteurs métalliques 23 j 27, 29 est déposée et une nouvelle couche isolante vient recouvrir la plaquette. Des ouvertures 30 sont ouvertes dans cette couche isolante et mettent à 15 nu des zones de contact sur les conducteurs 29- Une pellicule d'oxyde est formée sur ces zones, puis une seconde configuration de conducteurs métalliques est déposée et constitue des bandes 22, correspondant aux lignes 1 à 7 de la figure 4, et recouvrant les plages 30. Pour chaque transistor devant être mis en circuit, la 20 couche diélectrique recouvrant la plage 30 est percée au moyen d'une ou plusieurs impulsions de tension provoquant le court-circuit nécessaire. La coupe de la figure 3 correspond sensiblement à une coupe selon la ligne II de la figure 2. L'émetteur 33 et la base 32 ont 25 été diffusés dans le substrat 31 formant collecteur. Les bandes susceptibles d'être reliées à certains émetteurs sont en 36. Une mince couche diélectrique 37 est formée aux points de contact voulus sur la couche conductrice localisée 35 qui prend contact sur un émetteur 33- Les couches isolantes séparant les couches conduc-30 trices, et isolant celles-ci du substrat, sont représentées en 38 et 34. Lorsqu'un émetteur 33 doit être relié à une bande 36, la couche 37 doit être traversée et pour cela, une ou plusieurs impulsions de courant sont envoyées à travers cette couche par application des tensions nécessaires entre les conducteurs 35 et 36. 71 14550 -9- 2134172 - REVEND I C ATION S - 1.- Procédé d'établissement de connexions internes dans un dispositif semi-conducteur monolithique à structure plane comportant des conducteurs métalliques déposés en au moins deux couches successives séparées par une couche d'isolant caractérisé en ce que 5 des contacts entre conducteurs appartenant à deux couches séparées par 3edit isolant sont établis, en des points déterminés, en ouvrant dans ladite couche d'isolant des fenêtres mettant à nu, au moins auxdits points déterminés, des plages d'une première couche de conducteurs métalliques, en formant à la surface desdites plages une 10 mince couche d'oxyde diélectrique, en déposant une'seconde couche de conducteurs métalliques et en appliquant ultérieurement, entre les deux conducteurs situés de part et d'autre de ladite couche d'oxyde diélectrique auxdits points déterminés, une tension au moins égale à la tension de percement de cette couche d'oxyde dié-15 lectrique. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche d'oxyde diélectrique est formée en oxydant superficiellement les surfaces mises à nu de la première couche de conducteurs métalliques. 20 3-~ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les conducteurs sont réalisés.en aluminium évaporé sous vide et en ce que la couche d'oxyde diélectrique est formée essentiellement d'alumine, l'isolant séparant les deux couches de conducteurs d'aluminium étant constitué de dioxyde de silicium. 25 4.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche d'oxyde diélectrique est formée par trempage du substrat dans un bain oxydant, en l'absence de toute application de tension extérieure. 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en 30 ce qu'un traitement de stabilisation de la couche d'oxyde diélectrique est pratiqué après formation de cet oxyde. 6.- Procédé selon l'une des revendications 1, 3, 5, caractérisé en ce que ladite couche d'oxyde diélectrique est formée par dépôt d'un oxyde provenant d'une réaction en phase gazeuse d'un composé 35 organo-métallique. 7.- Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 4, 5 caractérisé en ce que l'oxyde diélectrique est obtenu par oxydation d'une couche d'un métal pris dans le groupe suivant : titane, tantale, hafnium, zirconium, niobium. 71 14550 -10- 2134172 8.- Dispositif semi-conducteur monolithique à structure plane comportant des conducteurs métalliques répartis en au moins deux niveaux séparés par une couche d'isolant, caractérisé en ce que des conducteurs appartenant à deux niveaux différents sont en contact 5 en des points déterminés à travers une mince couche d'oxyde diélectrique localisée autour desdits points, dispositif réalisé suivant un procédé conforme à l'une des revendications 1 à J. 9.- Matrice-mémoire selon la revendication 7* caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de contacts réalisés suivant un 10 procédé conforme à l'une des revendications 1 à 7- 10.- Matrice-mémoire programmable, à semi-conducteurs, à structure monolithique plane, comportant au moins deux niveaux de conducteurs métalliques séparés par une couche d'isolant, caractérisée en ce que des conducteurs appartenant à deux niveaux différents 15 sont, selon des plages déterminées correspondant à des fenêtres pra' tiquées dans ladite couche d'isolant, séparés par une couche mince d'oxyde diélectrique dont la tension de perçage est légèrement plus élevée que la tension appliquée en service entre les conducteurs des deux niveaux, les conducteurs s'étendant selon lesdites plages 20 étant électriquement accessibles de l'extérieur du boîtier contenant ladite matrice-mémoire.