Brevet FR2156406A1 — publié le 19730525

Cette invention se rapporte à des systèmes ou réseaux de métallurgie d'aluminium perfectionnés qui résistent, sans se dégrader, aux traitements thermiques utilisés dans des procédés de fabrication, et vise également des procédés de fabrication de ces systèmes ou réseaux de métallurgie. L'aluminium est très généralement reconnu comme étant un métal utile pour la réalisation d'un système ou réseau de métallurgie conducteur sur un dispositif semi-conducteur. Le réseau de métallurgie conducteur sert à connecter les divers éléments semi-conducteurs actifs et passifs individuels d'un dispositif dans une disposition de circuit fonctionnelle. L'aluminium présente une conductivité relativement élevée, adhère bien au verre et autres couches de passivation, est relativement facile à déposer et à graver et établit un contact ohmique direct avec le matériau semi-conducteur Si. L'aluminium, cependant, présente l'inconvénient de s'allier au silicium, aux températures supérieures à 577 C, par la formation d'une phase liquide. Au-dessous de 577"C, l'aluminium participe à une réaction de diffusion à l'état solide avec Si, dans laquelle Si diffuse préférentiellement dans Al. L'effet qui en résulte est que l'interface d'origine entre les deux matériaux se déplace dans la direction du Si. Cela signifie que l'aluminium, soit de l'aluminium pur, soit un alliage d'aluminium avec de faibles quantités d'autres métaux, pénètre ou s'enfonce, lorsqu'il est chauffé, dans le silicium pour répondre aux besoins de la solubilité solide. Cet effet de diffusion peut avoir comme résultat la pénétration du contact de la bande métallique dans le corps du silicium, dans une mesure suffisante pour provoquer un " court-circuit " de régions de Si diffusées et également pour entraîner un déplacement de la bande d'aluminium, provoquant, dans certains cas, un rétrécissement du métal lors d'étapes ultérieures.Un rétrécissement, ou une réduction dans la surface de la section rend la bande davantage susceptible de défaillance par électromigration, étant donné que la densité de courant est localement plus élevée et que la bande, au point de rétrécissement, fonctionne en conséquence à une température plus élevée par suite de l'échauffement dû à l'effet Joule. La diffusion de l'aluminium et du silicium est un problème important, étant donné que les dispositifs semi-conducteurs microminiaturisés modernes sont normalement soumis à un certain nombre d'étapes de traitement thermique après que le réseau de métallurgie ait été fabriqué. Ces étapes de fabrication sont nécessaires pour réaliser des contacts ohmiques à faible résistance, ou pour l'application des couches isolantes et de passivation, ou pour déposer des couches de métallurgie supplémentaires, qui nécessitent que le dispositif soit soumis à des étapes de traitement thermique supplémentaires. Le brevet américain nO 3. 382. 568 décrit un certain nombre de solutions au problème mentionné ci-dessus. Ce document décrit des techniques supplémentaires et des perfectionnements structurels qui ont fait progresser l'état de la technique. Une technique proposée dans le brevet précité consiste à utiliser un alliage silicium-aluminium pour constituer le métal de la bande métallique. Ceci répond aux besoins de solubilité de l'aluminium pour le silicium et empêche la pénétration sous forme de piqûres dans le corps de silicium. Cependant, dans certaines applications, son utilisation est limitée du fait qu'après la gravure de la pellicule d'aluminium pour fabriquer les bandes de métallurgie, une pellicule mince de silicium reste sur l'oxyde qu'il est difficile d'enlever complètement. Une autre technique qui a été proposée consiste à réaliser, après que les ouvertures des contacts ont été percées, une mince couche d'aluminium pur sur laquelle est déposée une mince couche de revêtement de silicium, puis une couche de revêtement relativement épaisse d'aluminium. Cette technique peut avoir des limitations dans certaines applications, du fait que la couche de silicium doit être extrêmement mince, car autrement elle introduirait une résistance supplémentaire gênante.De même, elle doit autre suffisamment mince pour être perméable à la solution d'attaque de l'aluminium de sorte que la couche d'aluminium sous-jacente puisse être enlevée. Cette nécessité d'avoir une couche intermédiaire de silicium extremement mince peut entraver des difficultés de fabrication et peut également conduire à une situation dans laquelle il se trouve une quantité insuffisante de silicium pour répondre aux besoins de solubilité de l'aluminium, en particulier si des chauffages prolongés ou répétés du dispositif sont réalisés. Cette technique pose également le problème de l'enlèvement du Si en excès sur l'oxyde. L'un des objets de la présente invention est de réaliser un réseau de bandes de métallurgie d'aluminium perfectionné qui peut être chauffé sans entraiter une dégradation significative du dispositif ou du réseau de métallurgie. Un autre objet de cette invention est de réaliser un procédé de fabrication dtun réseau de métallurgie perfectionné qui supporte l'exposition à des cycles de chauffage, sans dégrader le dispositif. Encore un autre objet de cette invention est de réaliser un réseau de métallurgie d'aluminium perfectionné dans lequel les besoins de solubilité solide de l'aluminium pour le silicium, au niveau de l'ouverture de contact, peuvent être satisfaits. Conformément aux objets mentionnés ci-dessus, le réseau de métallurgie d'aluminium perfectionné de la présente invention, destiné à étre utilisé sur un corps de silicium monocristallin muni d'une couche de passivation de matière isolante dans laquelle sont formées des ouvertures de contacts, comporte une couche de silicium, typiquement du silicium polycristallin, disposée entre la couche de passivation de matière isolante et les bandes d'aluminium et située au moins dans la région adjacente aux ouvertures. Le procédé de fabrication d'un système ou réseau de métallurgie d'aluminium constitué par des bandes sur un dispositif de silicium monocristallin en vue de réaliser un contact ohmique avec le corps dudit dispositif consiste à déposer une couche de silicium, typiquement du silicium polycristallin, sur la couche de matériau isolant, à former les ouvertures de contacts à travers la couche isolante et à graver les couches de Si polycristallin, à déposer une couche d'aluminium sur la surface du dispositif, ladite couche formant un contact avec le silicium monocristallin exposé dans les ouvertures et à enlever sélectivement des parties de la couche d'aluminium pour former un système ou réseau d'interconnexions. Les objets qui précèdent ainsi que d'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description plus détaillée qui suit de modes de réalisation préférentiels de l'invention qui ont été illustrés dans les dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue d'élévation en coupe d'un dispositif semiconducteur, la coupe étant effectuée à travers une bande d'aluminium, cette figure illustrant les difficultés liées à la fabrication de contacts ohmiques en aluminium pur sur ladite bande, lorsque des traitements thermiques ultérieurs, dans une gamme approximative de 350 C à 577 C, sont utilisés. La figure 2 est une vue en coupe, à très grande échelle, d'une section transversale d'un dispositif semi-conducteur illustrant un mode de réalisation de la présente invention. La figure 3 est une autre vue en coupe, à très grande échelle, d'un dispositif semi-conducteur illustrant un autre mode de réalisation de la présente invention. La figure 4 est une vue de dessus en plan du mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 3. La figure 5 est une autre vue en coupe détaillée d'un autre mode de réalisation de l'invention. Les figures 6 à 9 sont une suite de vues, en élévation avec coupe partielle, illustrant les étapes du procédé de l'invention pour la fabrication du réseau, de métallurgie d'aluminium perfectionné sous forme de bandes conductrices, conformément à l'invention. Sur la figure 1 à laquelle on se référera maintenant, on a représenté une vue en coupe illustrant un problème prédominant dans l'utilisation d'une métallurgie d'aluminium sur un substrat de silicium dans un dispositif de circuit intégré microminiaturisé. Comme il est bien connu dans la technique et montré de façon évidente par le diagramme des phases de solubilité de l'aluminium-silicium, l'aluminium et le silicium forment des alliages de solution solide sur le côté riche en aluminium du diagramme. En conséquence, lorsqu'une couche d'aluminium pur 10, ou une couche d'alliage d'aluminium, est placée en contact direct avec un substrat de silicium 12 à travers une ouverture formée dans une couche isolante 14 et que le dispositif est chauffé, la bande d'aluminium forme un alliage avec le silicium du substrat 12. En fait, le silicium diffuse dans l'aluminium par diffusion à l'état solide et l'interface d'origine se déplace dans la direction de Si. Ceci a pour résultat une valeur mesurable de pénétration de l'aluminium dans le silicium du substrat 12. La source de silicium pour l'aluminium qui se trouve au-dessus de l'oxyde ne peut être dérivée que du substrat de Si à l'emplace- ment se trouvant à proximité de l'extrêmité de l'orifice de contact.Pendant le traitement thermique, le volume de la bande d'aluminium qui se trouve directement au-dessus de l'orifice de contact n'enlève qu'une faible couche de silicium, comme indiqué par la ligne en trait interrompu 15 qui représente la surface supérieure d'origine du substrat 12. Cette couche extrêmement mince de silicium enlevé qui se combine avec l'aluminium, est en général acceptable. Cependant, lorsque le dispositif est chauffé davantage, le silicium diffuse longitudinalement le long de la bande afin de répondre aux besoins en silicium de la bande adjacente au gradin formé au-dessus de l'isolant 14. Dans cette région, la couche d'aluminium 10 est isolée du silicium du substrat 12. Ainsi, la demande totale la plus grande de silicium, dans la région de la bande 10 adjacente au gradin descendant, résulte en une pénétration relativement profonde 16 dans le silicium.Une pénétration profonde qui atteint la jonction PN 17 provoque pratiquement un court-circuit du dispositif. Dans les dispositifs semi-conducteurs microminiaturisés modernes, la région d'émetteur diffusée est relativement mince, éventuellement de l'ordre de 0, 3 à 0, 7 rJ de profondeur qui peut être facilement atteinte par la pénétration résultant de l'alliage de l'aluminium et du silicium. Un chauffage, à la suite du dépôt de la bande 10, est nécessaire pour réaliser un contact ohmique à faible résistance, pour déposer une couche de passivation 18, pour déposer et fabriquer des couches et bornes de métallurgie supplémentaires et une structure de métallurgie à plusieurs couches supplémentaire, pour le groupage des dispositifs, etc ...Ce problème a été reconnu dans la technique antérieure, et en particulier dans le brevet américain nO 3. 382. 568, et diverses techniques ont été proposées pour le résoudre. Comme examiné ci-dessus, les solutions proposées pour empêcher l'alliage de l'aluminium et du silicium ne peuvent pas toujours être universellement utilisées pour les raisons données. Sur la figure 2, on a illustré un mode de réalisation spécifique préférentiel de l'invention qui empêche la pénétration profonde, dûe à la formation d'un alliage de la bande dans le substrat, que l'on a représentée et examinée en se référant à la figure 1. Sur la figure 2, le substrat 12 comporte une ouverture 11 pour effectuer un contact avec une région diffusée 19. Une mince couche de silicium polycristallin 20 recouvre la couche isolante 14 et est disposée sur la totalité de la surface située au-dessous de la bande d'alliage d'aluminium 10. Un léger défaut d'alignement de la bande 10 et de la couche 20 est tolérable. Une couche de verre 18 est déposée sur la surface du dispositif et le protège contre la contamination, l'atmosphère etc ... Sur la figure 2, une seule couche de métallurgie a été représentée.Cependant, il est bien entendu que des couches de métallurgie supplémentaires peuvent être utilisées, ces couches étant typiquement séparées par des couches isolantes de SiO2, de verre ou analogue. La pénétration profonde dans le substrat 12 par la bande d'aluminium adjacente au gradin ou bord de l'ouverture 1l est empêchée par la couche de silicium 20. La couche 20, étant située au proche voisinage de la couche d'aluminium 10 qui la recouvre, est suffisamment épaisse pour répondre aux besoins de solubilité de la bande d'aluminium qui est isolée du substrat de silicium 12. En conséquence comme représenté sur la figure 2, seule une mince couche de silicium est enlevée de l'interface silicium-aluminium, ladite couche mince étant suffisante pour répondre uniquement aux besoins en silicium de la métallurgie située immédiatement au-dessus de ladite interface. Contrairement à la situation illustrée sur la figure 1, la bande d'aluminium de la figure 2 adjacente au gradin est alimentée en silicium, afin de répondre aux besoins de solubilité de l'aluminium, par la couche 20. L'épaisseur optimale de couche 20 est déterminée par l'épaisseur de la bande d'aluminium 10. En général, le volume de la couche de silicium 20 est au minimum de 1, 59 % du volume de la couche d'aluminium 10, lorsque les traitements thermiques s'approchent de la température critique. Un volume inférieur à 1,59 % de silicium est acceptable, si la combinaison durée-température exige moins que la composition d'équilibre. En général, l'épaisseur de la couche 20 est comprise dans une gamme de 100 à 500 A pour des bandes de métallurgie communément utilisées dans les dispositifs de circuits intégrés, dans lesquelles la couche d'aluminium a une épaisseur comprise dans une gamme allant de un à deux microns. Les figures 3 et 4 représentent un autre mode de réalisation préférentiel d'une métallurgie en aluminium selon l'invention. La structure du dispositif représenté sur la figure 3 est, dans son ensemble, similaire à celle représentée sur la figure 2, à cette exception près que la couche de silicium 20 n'est disposée, entre la couche isolante 14 et la bande d'aluminium 10 qui la recouvre, que dans la région adjacente au gradin formé par la bande 10 audessus de la couche isolante 14. La couche de silicium est, de préférence, fabriquée suivant la configuration représentée sur la figure 4. La demanderesse a découvert que la partie critique de la bande qui est responsable. de la formation de l'alliage se trouve seulement dans la région adjacente au gradin descendant vers l'orifice de contact. De façon idéale, la couche 20 devrait être de niveau avec le bord de l'ouverture de contact ; cependant, en pratique, la couche 20 peut être légèrement éloignée de l'orifice, d'une faible distance, pour donner une topographie plus proche de l'optimum. Le système continue de fonctionner comme décrit; cependant, lorsque l'intervalle s'accroit, la protection est réduite et une certaine pénétration de l'aluminium peut se produire. Sur la figure 5, on a représenté encore un autre mode de réalisation spécifique préférentiel de la métallurgie perfectionnée de l'invention, utilisée dans un transistor à effet de champ. Dans cette application, des bandes de métallurgie d'aluminium 10 forment des contacts avec les régions de source et de drain 30 et 32. L'électrode de porte 34 comporte une première couche 36 de SiO2 une couche 37 de Si3N4, une couche 38 de silicium polycristallin dopé et une couche de recouvrement 40 d'oxyde. Une mince couche de Si est située au-dessous de chacune des bornes d'aluminium 10 dans la région du gradin descendant dans les orifices de contact et au-dessus de la couche isolante 14. La couche 20 peut être déposée en même temps que la couche 38.La couche 20 de silicium peut être disposée au-dessous de l'ensemble du réseau de métallurgie, ou se terminer à une certaine distance à l'arrière des orifices de contact, comme illustré sur les figures 3 et 4. En pratique, une couche de passivation 18 est déposée au-dessus du niveau de métallurgie inférieure 10. Les figures 6 à 9 illustrent une succession d'étapes de fabrication du réseau de métallurgie de l'invention. Sur la figure 6, à laquelle on se référera maintenant, on voit qu'une couche 14 de SiO2 est formée sur le substrat 12, typiquement par oxydation thermique, et qu'une ouverture 41 est réalisée dans la couche 14 en utilisant les techniques photolithographiques et de gravure différentielle classiques. L'orifice 41 sert d'ouverture, ou fenêtre, de diffusion pour introduire sélectivement une impureté dans le substrat 12 ce qui résulte en une région diffusée 42. Ensuite, une couche mince supplémentaire de SiO2 44 est déposée, de préférence par oxydation thermique.Une couche 46 de Si3N4 est ensuite déposée sur la couche 44, La couche 46 peut être formée par dépôt de vapeur chimique, par exemple en exposant la tranche chauffée à un courant de silane et d'ammoniac, dans une chambre approprlée. Une couche de silicium polycristallin 20 est ensuite déposée sur la couche 46. La couche 20 est également déposée par dépôt de vapeur chimique, par exemple en chauffant la tranche dans un courant de silane entraîné dans un gaz porteur inerte tel que l'argon. La figure 6 représente en vue une coupe montrant le dispositif à cette étape du procédé. Ensuite, des ouvertures 48 et 50 sont formées dans la couche 20 et dans la couche 46 de Si3N par les techniques photolithographiques et de gravure différentielle classiques.En formant les ouvertures à travers les couches de Si, SiO2 et Si3N4, il est important que les couches inférieures ne soient pas attaquées par le décapant. Une couche débordante interfère avec la formation ultérieure de bandes de métallurgie d'épaisseur uniforme à travers la couche jusqu'au corps du semi-conducteur. Une technique recommandée consiste à former des ouvertures légèrement surdimensionnées et comportant une série de gradins descendants à travers les couches respectives. Ces gradins descendants peuvent être réalisés en utilisant un masque séparé comportant des ouverture s légèrement plus grandes pour exposer la matière photorésistante utilisée pour la formation des ouvertures à travers les couches isolantes.Toutes les ouvertures de la couche isolante de Si3N4 peuvent être formées au moyen d'un masque unique qui élimine les problèmes de cadrage ou d'alignement qui se posent lorsque des masques distincts sont utilisés pour des ensembles distincts d'ouverture. Une couche de matière photorésistante 52 est ensuite utilisée pour enlever la mince couche de SiO2 44 dans l'ouverture 50 qui servira ultérieurement de fenêtre de diffusion. Le dispositif, à cette étape du procédé, est représenté sur la figure 7 des dessins. Après que la couche de matière photorésistante 52 ait été enlevée, le dispositif est exposé à une source convenable d'ions d'impureté, cette exposition résultant dans la formation d'une région d'émetteur diffusée 54.Le dispositif peut alors être gravé par immersion dans une solution d'attaque convenable pour enlever la couche de SiO2 exposée dans l'ouverture 48 et également enlever tout oxyde qui aurait pu se former dans l'ouverture 50 au cours de l'opération de diffusion. Une couche complète d'aluminium est déposée et gravée pour former le réseau du circuit désiré tel que représenté sur la figure 9. A la suite de la gravure de la couche d'aluminium pour former la bande 10, la couche de silicium 20 exposée peut être enlevée soit par gravure par pulvérisation inverse dans un appareil de pulvérisation haute fréquence, en utilisant la métallurgie d'aluminium comme masque, soit, suivant un autre mode de réalisation, au moyen d'une gravure chimique convenable qui enlève sélectivement le silicium, en laissant la métallurgie d'aluminium relativement intacte.Une autre technique convenable consiste à convertir chimiquement, ou thermiquement, le silicium en excès, en un isolant tel que SiO2. Alternativement, si l'on désire n'utiliser que de petites parties de pellicule 20 de Si adjacentes aux ouvertures, comme représenté dans le mode de réalisation de la figure 3, la couche 20 peut être sélectivement enlevée par une solution d'attaque convenable en utilisant les techniques photolithographiques standard, avant le dépôt de la couche d'aluminium. La structure du dispositif représentée sur la figure 9 peut ensuite être recouverte d'une couche de passivation appropriée et des couches supplémentaires de métallurgie déposées, si désiré. La métallurgie du dispositif utilisant une couche de Si 20 située au-dessous de la métallurgie d'aluminium, au moins dans la partie adjacente aux ouvertures des contacts, résiste ainsi aux traitements thermiques approchant 577"C sans pénétrer excessivement dans le corps du dispositif de silicium. u est bien entendu que l'aluminium de la couche 10 peut être de l'aluminium pur ou des alliages d'aluminium, tels que, par exemple, un alliage d'aluminium et de cuivre comportant des quantités de cuivre comprises entre 1 et 10 %.Il est également désirable, dans la fabrication des réseaux de métallurgie de conserver des parties de la couche de Si au-dessous des orifices de traversée dans les métallurgies à plusieurs niveaux. Lorsque les orifices de traversée sont formés dans les couches de verre de recouvrement, il existe une possibilité que la solution d'attaque puisse poursuivre son chemin à travers la bande d'aluminium et la couche sous-jacente de SiO2 entraidant un court-circuitage. La pastille de Si située au-dessous de la bande d'aluminium empêche alors la solution d'attaque d'attaquer davantage la couche isolante sousjacente. Bien que l'invention ait été décrite et représentée plus particulièrement en se référant à ses modes de réalisations préférentiels, les spécialistes de la technique comprendront aisément que diverses modifications de forme et de détail peuvent y être apportées sans sortir du cadre ni s'écarter de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. - Métallurgie d'aluminium pour dispositifs semiconducteurs du genre dans lequel un dispositif semiconducteur comporte un substrat de silicium monocristallin, une couche de passivation composée d'un matériau isolant, située sur le substrat et comportant des ouverture s de contacts qui mettent à nues certaines parties de la surface du substrat, un système de métallurgie fait de bandes d'aluminium recouvrant la couche de passivation et étant en contact ohmique avec le substrat par l'intermédiaire des ouvertures de contacts, cette métallurgie étant caractérisée en ce qu'elle comporte une couche de silicium polycristallin située entre la couche de passivation et les bandes d'aluminium et placée au moins dans les régions entourant les ouvertures de contact. 2. - Métallurgie selon la revendication 1 caractérisée en ce que le poids de la couche de silicium est égal à au moins 1, 6 % du poids combiné de la couche de silicium et de la bande d'aluminium recouvrant la couche de silicium. 3. - Métallurgie selon les revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que la couche isolante est une couche composée comprenant une couche de SiO re 2 couverte d'une couche de Si3N4. 4. - Métallurgie selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que les bandes d'aluminium comporte 90 à 99 % d'Al et 1 à 10 % de Cu. 5.- Procédé de fabrication de bandes de métallurgie en aluminium sur un substrat semiconducteur en silicium monocristallin du genre dans lequel le substrat est recouvert d'une couche isolante comportant des ouvertures de contact, les bandes d'aluminium étant en contact avec le substrat semiconducteur par l'intermédiaire des ouvertures de contact le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - formation d'une couche de silicium sur la couche isolante, - formation des ouvertures de contact à travers la couche de silicium et la couche isolante, - attaque sélective de la couche de silicium, de telle sorte que cette dernière soit présente au moins dans les zones adjacentes aux ouverture s, - dépôt d'une couche d'aluminium sur la surface du substrat, cette couche d'aluminium étant en contact, dans les ouvertures de contact, avec les régions exposées du silicium monocristallin, - attaque sélective de la couche d'aluminium pour former un réseau de bandes, - dépôt d'une couche de passivation de verre sur le réseau de bandes, ce réseau de métallurgie résultant étant capable de résister à des étapes ultérieures de chauffage de durée prolongée, pour des températures allant jusqu'à 5770C, sans qu'il y ait une pénétration nuisible du métal dans le substrat de silicium. 6. - Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'attaque sélective de la couche de silicium est réalisée après l'attaque sélective de la couche d'aluminium de telle sorte que les configurations de silicium et d'aluminium se superposent à l'exception des zones correspondant aux trous de contact. 7. - Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la couche de silicium est enlevée par décapage par pulvérisation inverse en utilisant les bandes d'aluminium comme masque. 8. - Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la couche de silicium est enlevée par décapage chimique de telle sorte que seules les zones de silicium non recouvertes par les bandes d'aluminium soient enlevées. 9. - Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'attaque sélective de la couche de silicium est réalisée de telle sorte que la configuration de la couche de silicium résultante correspond à la configuration finale du réseau de bandes d'aluminium à l'exception des zones d'ouvertures de contact.