Brevet FR2124292A1 — publié le 19720922

2121*292 la présente invention concerne des condensateurs du type métal-oxyde-métal à couches minces, ainsi qu'un procédé de fabrication de tels condensateurs. Dans le passé, on a/abriqué des condensateurs métal-oxyde-métal à films minces sans 5 mettre en oeuvre une étape de densification de lroxyde, étant donné que les processus de densification sont généralement effectués dans de courtes durées, à des températures élevées, ce qui provoque un mélange indésirable des couches de métal et d'oxyde. Les condensateurs métal-oxyde-métal, ci-après 10 dénommés condensateurs MOM,formés en utilisant comme diélectrique la silice, appliquée par des techniques classiques ou normalisées (sans densification), ont des résistances, qui sont, d'une manière indésirable, élevées . Dans les circuits en films minces, spécialement dans le domaine 15 des basses fréquences, de telles résistances ne peuvent être tolérées. Ainsi, il est devenu d'une pratique courante de composer de tels circuits avec des éléments actifs tels que des transistors, diodes ou autres en films minces. En outre, l'état de l'art des capacités en films minces a conduit les 20 constructeurs de circuits intégrés à incorporer des éléments plus actifs et moins passifs que ceux qui seraient normalement incorporés dans la version discont-jruie du même circuit. En conséquence, il était hautement souhaitable de pouvoir disposer d'un condensateur en couches minces ayant un facteur de 25 surtension Q beaucoup plus grand que celui précédemment atteint de façon à surmonter quelques unes des limitations d'emploi en relation avec la résistance, les nouveaux condensateurs à facteur de surtension élevé de la présente invention constituent des constituants de circuits intégrés à haute 30 fréquence sans résistance élevée associée. la densification de la silice déposée par décomposition thermique de composés du silicium a été utilisée dans le passé pour donner des dispositifs semi-conducteurs formés par une étape de dépôt de silicium sur le saphir avec des 35 caractéristiques de passivation approchant celles de la silice ayant crû. thermiquement. Certains dos travaux dans ce domaine sont décrits dans le brevet américain 3-243.314, lehman et al 72 02882 2 2124292 délivré le 29 Mars 1966, qui décrit un procédé de densification à haute température de la silice qui est effectué dans l'intervalle allant de 800 à 1000°C. On peut aussi se reporter à SoKrongel"b "Environmental Effects on Chemically Vapor-Plated Silicon Dioxide", Electrochemical Technology, Volume 6, page 251-266 (1968). le condensateur selon la présente invention, qui est du type métal-oxyde-métal en couches minces et qui possède un facteur de surtension Q élevé, est constitué sur un substrat isolant sur lequel on dépose une couche de substance conductrice de façon à former une région constituant une électrode» Sur cette substance conductrice, on place une couche de silice et l'on effectue la densification de cette couche d'oxyde sous une atmosphère gazeuse- humide en utilisant des gaz tels que l'azote ou ur)6iélan£p du type (N^ 90$ + 10$), avec une température superficielle de 395 à 425°C, pendant une durée d'au moins six heures» Cette densification donne une couche de silice ayant une constante diélectrique d'approximativement 4,2, à comparer avec la constante diélectrique avant densification qui est d'approximativement 4,5. Après cette densification, on forme alors sur l'ensemble la seconde électrode, la densification produit l'effet désiré sur le facteur de surtension Q. l'expression "silice densifiée" telle qu'elle est utilisée ici, se rapporte à de la silice à laquelle on a appliqué une quantité suffisante d'énergie thermique de façon à provoquer un réarrangement du réseau de silice afffaibli par les ions 0H, de façon à donner une structure plus résistante. Dans les dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif, pour illustrer la présente invention : - la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un condensateur à films minces conforme à la présente invention; et, - la figure 2 représente un schéma synoptique des diverses étapes de la fabrication d'un condensateur conformément à la présente invention» 72 02882 3 2124292 15 Exemple. Le condensateur métal-oxyde-métal à facteur de surtension élevé Q objet de la présente invention est constitué dans un circuit intégré (non représenté) de la manière suivante. Sur un substrat approprié 11 (figure 1), qui peut être, d'une manière typique, du saphir, un spinelle d'aluminate de magnésium ou uns rondelle de silicium, on dépose une couche de substance conductrice 12; la couche 12, qui constitue l'électrode inférieure du condensateur est, d'une manière 1ypique, un métal ou un alliage, par exemple de l'aluminium, un assemblage Cr-Au-Cr ou Cr~Cu~Cr ou du tungstène; on forme ensuite sur l'électrode 12, une couche diélectrique 13. Cette couche diélectrique 13 est constituée par des techniques classiques en utilisant du silane, ou bien de 1'orthosilicate de tétraéthyle, et.de l'oxygène, pour le dépôt de silice. La couche diélectrique 1 3/ést ensuite densifiée à basses températures par la technique décrite en détail ci-après et on forme ensuite, sur la. couche diélectrique 13, une secondé électrode 14, d'une-manière similaire à la formation de la première électrode 12 et à partir ' de substances similaires. La figure 2 est un schéma synoptique montrant les étapes de base qui peuvent être mises en oeuvre pour fabriquer un condensateur à film^éiinces ou des" ensembles ou multiples d'un tel condensateur. Une couche métallique ou un assemblage de couches métalliques est déposé "sur-un substrat (rectangle A) et une partie de ce métal est éliminée par attaque ou corrosion de façon à définir, par enlèvement des parties désirées, les configurations spécifiques du condensateur (rectangle B). Cette étape d'attaque peut comprendre le masquage de la couche de métal déposée au moyen d'un cache métallique résistant à l'attaque, d'une cire ou d'un polymère photorésistant et l'exposition à la lumière à travers ledit cache de façon à obtenir la configuration désirée. Ensuite, on dépose la couche diélectrique (rectangle C) par. les techniques classiques ^ de dépôt de la silice, telle que la réaction du silane Si avec 20 25 30 72 02882 4 212U292 l'oxygène. On densifie ensuite la couche diélectrique (rectangle D) par le procédé décrit en détail ci-dessous. On sèche ensuite la couche diélectrique. Le rectangle E correspond à l'étape de dépôt de la 5 seconde électrode du condensateur, la couche métallique déposée en premier constituant l'autre électrode. Les étapes A à F constituent les étapes de base grâce auxquelles les deux électrodes métalliques et Iq&iélectrique densifié situé entre celles-ci sont formés. Le procédé global 10 peut comprendre d'autres étapes de traitement bien connues dans l'art antérieur et combinées avec les étapes de base précitées pour donner le condensateur terminé. La densification de la silice est effectuée par passage d'azote saturé en vapeur d'eau à une température de 15 85°G sur la silice qui est maintenue à une température superficielle de 395 à 425°C. Dans la plupart des cas, la densification est terminée en maintenant le condensateur dans ces conditions pendant au moins six heures. Le degré de densification de la silice peut être 20 évalué par au moins l'une des trois techniques ci-après, à savoir la mesure de la vitesse d'attaque, la détermination des caractéristiques du spectre d'absorption infrarouge et/ou la détermination de la constante diélectrique. Il a été précédemment établi que la silice de bonne 25 qualité ayant crû thermiquement possède une vitesse d'attaque 0 ou corrosion de 16,6 A/s dans un réactif d'attaque à l'acide fluorhydrique tamponné (HE1: 72 grammes; : 200 grammes; ELjO : 300 grammes) à 21°C. La densification de la silice qui est produite par traitement à basse température est mis 30 en évidence par la diminution de la vitesse d'attaque de l'oxyde densifié. La vitesse d'attaque moyenne de l'oxyde densifié est de 50$ de la vitesse d'attaque de l'oxyde non-densifié, comme le montre le tableau ci-après : 72 02882 2124292 ■ TABLEAU 1. N° de Substrat 1'essai: 2 3 10 4 Si Al Al Al Al Atmosphère humide id id id air Vitesse d'attaque Etat densifié (A/s) 61 ,9 57,6 62,0 88,4 88,8 118,7 Etat non-den-sifié. (A/s) 115,0 115,0 115.4 128.5 144.4 128.5 15 1) L'oxyde a été déposé à 300°0 plutôt qu'à 400°C 2) La densification a été effectuée pendant 5,5 heures plutôt/que pendant 6 heures. De telles vitesses d'attaque peuvent être mesurées en déterminant, l'épaisseur de l'oxyde par des mesures de 20 réflectivité (interférométrie, etc...) au moyen d'un spectrophoto-mètre à intervalles de temps déterminés. L'évaluation de la. densité de l'oxyde en notant l'absorption correspondant à la bande d'étirement Si-0 dans la région des 9.microns est basée sur le phénomène consistant en 25 ce que celle-ci se produit à une fréquence plus élevée pour la silice densifiée que pour la silice non-densifiée. Le pic qui e st observé à la fréquence plus élevée indique une distance atomique plus courte entre Si et 0, ce qui vérifie ainsi qu'il s'agit de silice plus dense. D'autres déterminations 30 des caractéristiques d'absorption infrarouge impliquent des mesures dans la région des 3 microns qui indique la teneur en ions hydroxyle dans le film de silice. De telles mesures indiquent aussi que de l'eau additionnelle n'est pas introduite dans le film de silice lors de la densification sous atmosphère 35 d'azote humide. la constante diélectrique Z de la silice est d éterminée par la mesure réelle de la capacité 0 d'un condensateur M0M possédant 72 02882 6 2124292 une épaisseur de diélectrique et une aire conductrice connues, d'après la formule : C = 0,569 M d 2 dans laquelle A représente l'aire conductrice en cm et d 5 l'épaisseur du diélectrique en cm, tandis que la capacité est exprimée en picofarads. la constante diélectrique pour la silice non-densifiée produite par décomposition thermique de composés du silicium est considéré commeétant d'environ 4,5. la même mesure pour la silice densifiée donne 10 à peu près la valeur 4,2 tandis que pour la silice ayant cru thermiquement, oette valeur est de l'ordre de 3,9. Gomme cette diminution ne peut pas seulement être expliquée par la perte" des molécules d'eau piégées dans la silice, on doit considérerque la diminution de la constante diélectrique 15 résulte d'un changement dans la structure de la.silice. Ce changement de la constante diélectrique est identifiable comme une contrainte réduite dans la structure comme déterminé dans la technique précédemment décrite et il indique aussi qu'il s'agit d'une substance plus dense. 20 En. plus des techniques d'évaluation précitées, le facteur de surtension Q réel du condensateur aux fréquences des microondes, peut être obtenu par des mesures de ligne à fente, les valeurs dufacteur de surtension Q pour l'oxyde densifié par rapport à l'oxyde non densifié, pour certaines 25 valeurs de la capacité sont donnée^&ans le tableau ci-après : Tableau 2. Si 02 non-densifié. Résistance Capacité Q Fréquence (ohms) (pf) (MHz) 1 ,78 3,21 18 1500 1 ,67 3,16 20 1500 2,66 2,46 16 1500 1 ,89 5,47 10 1500 1 ,42 10,64 7 1500 72 02882 7 2124292 Si 02 densifié, 10 15 20 Résistance (ohms) 44 24 48 35 26 48 Résistance (ohms) 0,43 0,52 0,38 0,36 0,60 0,44 Capacité Ltél 1 ,91 3,97 4,57 4,54 15,46 4,47 Si 0„ Capacité M 2,08 2,13 3,30 3,26 6,17 5,86 Q 126 111 48 67 26 49 119 95 85 90 29 41 Fréquence (MHz) 1500 1 500 1500 1500 1500 1500 Fréquence (MHz) 1500 1 500 1500 1500 1500 1500 L'épaisseur maximale d'oxyde nui a pu être densifiée sur un substrat verre-aluminium sans craquage ou fissuration de l'oxyde 0 correspond à une couche de 5000 A de silice déposée à 400°C. La 25 raison majeure de ce craquage d'oxyde est l'incompatibilité des coefficients de dilatation thermique entre l'électrode et la silice, de 25 X 1Ô6 pour l'aluminium et de 0,05 x 1$^ pour la silice. S^La 0 température dépasse 425°C, une couche de silice de 5000 A d'épaisseur se fissurera aussi. 30 Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes d'exécution 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 35 selon l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. 72 02882 8 2124292 ■ REVENDICATIONS 1.- Condensateur métal-oxyde-métal à fils^inces, ayant un facteur de surtension élevé, caractérisé en ce qu'il comprend : un substrat isolant, une première couche d'une substance conductrice formant une première région 5 d'électrode sur ledit substrat isolant, une seconde couche en silice densifiée recouvrant une partie de la première couche et formant le diélectrique dudit condensateur, et une troisième couche d'une substance conductrice formant une seconde région d'électrode sur le dessus de ladite seconde 10 couche. 2.- Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche de silice possède une constante diélectrique inférieure à environ 4,5- 3.- Condensateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé 15 en ce que ladite substance conductrice formant les régions précitées d'électrodes est choisie dans le groupe formé par l'aluminium, le tungstène et les matériaux composites chrome-or-chrome et chrome-cuivre-chrome. 4.- Procédé de fabrication du condensateur selon l'une 20 des revendications 1 à 3, du type à consistant à dépeser une première électrode sur la surface d'un substrat isiant et à déposer une couche de silice sur une partie de ladite première électrode, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste a censifier ladite couche de silice en exposant ledit substrat, ladite 25 électrode et ladite couche de silice à une atmosphère gazeuse humide relativement inerte tout en maintenant ledit substrat, ladite électrode et ladite couche de silice à une température superficielle de 395 à 425°C, pendant une durée d'au moins six heures, et à déposer une seconde électrode sur ladite 30 couche de silice, pour former ledit condensateur. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on choisit la substance conductrice constituant les régions d'électrodes dans le groupe formé par l'aluminium, le tungstène, et les matériaux composites chrome-or-chrome et chrome-cuivre-chrome.