Brevet FR2189872A1 — publié le 19740125

La présente invention conoerne, d'une façon générale, des composants électroniques à pellicules minces et son application la plus importante est relative à des dispositifs commutateurs à semiconducteur sur pellicules comme ceux que décrit le brevet américain 3,271,591. Dans les dispositifs commutateurs semiconducteurs à seuil et à mémoire décrits dans le brevet 3,271,591 et mentionnés ici sous le nom de "mécanisme" et de dispositif "Blevé-faible", respectivement, les matières semiconductrices actives sont sensiblement désordonnées et sont en général des matières amorphes dans lesquelles se forme une tra jectoire conduotrice en forme de filament quand on applique une tension égale ou supérieure à une tension de seuil aux bornes d'une paire d'électrodes en contact avec la matière semiconduc trio. active ; la portion de matière occupée par la trajectoire passe alors d'use état initial très résistant qui bloque le passage du courant à un état à faible résistance conducteur du courant.Dans les dispositifs commutateurs à seuil, l'état conducteur du dispositif concerné persiste jusqu'à ce que le courant qui le traverse soit réduit au dessous d'une valeur de donnée du courant de maintien et dans le dispositif commutateur à mémoire la matière semiconductrice reste à l'état conducteur de faible résistance même quand le courant et la tension appliqués sont interrompus. Cette dernière matière semiconductrice est ramenée à 11 état non-conduoteur quand on lui applique un courant de rétablissement.Une augmentation de la tension appliquée à un commutateur à mémoire ou à seuil augmente le courant qui traverse ce commutateur et l'état de faible résistance du dispositif diminue pour maintenir une ohute de tension pratiquement constante aux bornes de la matière semiconductrice en élargissant le diamètre de la trajectoire filiforme que suit le courant dans la matière. La matière semiconductrice est généralement livrée avec des électrodes sur ses faces ou surfaces opposées. Les matières utilisées pour les électrodes des commutateurs à seuil et à mémoire doivent être soigneusement choisies pour éviter la contamination des matières semiconductrices concentrées. Bien que l'aluminium soit un conducteur de courant très efficace pour les circuits imprimés conduisant à ces dispositifs, on a trouvé qu'il constituait une matière tout à fait impropre pour former les électrodes car il se produit des migrations d'aluminium dans les matières semiconductrices quand le courant circule depuis une électrode d'aluminium jusque dans la matière semiconductrice active. Un courant circulant dans la direction opposée c'est-àdire depuis les matières semiconductrices jusque dans l'alumi nium ne provoque pas de migration de l'aluminium.Ce problème de la migration de l'aluminium est résolu en utilisant des matières réfractaires comme du molybdène pour former les électrodes des dispositifs commutateurs, puisque le molybdène isole l'aluminium de la matière semiconductrice. Les dispositifs semiconducteurs à mémoire et à seuil mentionnés ci-dessus dans le brevet américain N 3,2715591 sont essentiellement des dispositifs bi-directionnels, et quand on les utilise comme tels, leurs deux électrodes devraient être en matière réfractaire sensiblement amorphes.Si les matières semiconductrices sont, comme ces matières, sensiblement désordonnées et d'une matière générale sont des matières semiconductrices amorphes, la matière réfractaire constituant les électrodes devrait être déposée à l'état pratiquement amorphe de manière à ne pas affecter l'état assez désordonné et sensiblement amorphe de la matière semiconductrice. Des matières pour électrodes, sensiblement cristallisées, tendraient à cristalliser les matières semiconductrices que l'on souhaite généralement amorphes quand elles sont en contact avec elles. (L'expression "sensiblement amorphe" concerne aussi les matières micro-cristallines, pour lesquelles on n'observe aucune structure cristalline avec un équipement spectrographique classique).D'autres matières réfractaires-conductrices, sensiblement amorphes comme le tantale, le niobrium, le tungstène, et les oxydes métalliques réfractaires, les carbures et les sulfures peuvent remplacer le molybdène sensiblement amorphe. On a découvert que différents contaminants gazeux ou en particules, venant de l'atmosphère pouvaient être introduits à l'intérieur les couches formant les électrodes et/ou de la matière semicon uctrice des dispositifs, ou se lier, chimiquement ou autrement à ces couches, pendant la réalisation du dépose et le traitement, en risquant de nuire au fonctionnement de ces dispositifs. Il faut donc prendre bien soin d'éviter que les contsminants n'atteignent les interfaces critiques entre les électrodes des commutateurs et la matière semiconductrice active. Suivant l'invention, on résoud ce problème en formant d'abord, d'une matière appropriée sur le support, une électrode inférieure, de préférence en molubdène amorphe ou matière semblable, et si on préfère, pour le dis positif une structure poreuse, on forme un ilôt isolant présentant un pore. (Si le support est prévu pour un certain nombre ie commutateurs déposés, on forme sur le support, la configuration d'électrodes et d'iltts isolants souhaitée pour ces commutateurs.) Le support obtenu est ensuite placé dans un ensemble sous vide, de préférence dans une chambre de dépôt par projection où il constitue la cathode d'un processus de départ haute-fréquence au cours duquel les surfaces exposées du support sont soumises à un bombardement ionique pour éliminer les surfaces contaminées du support, de chaque électrode inférieure et de chaque ilôt iso- lant. (On peut aussi, mais c'est moins souhaitable, nettoyer les surfaces apparentes du support, par exemple en leur appliquant une solution décapante et puis en plaçant le support immédiate- ment après dans la chambre de dépôt. Puisez sans rompre 1 'étan- chéité, on vaporise ou on dépose une couche de matière ssemicondub trice active sur toute la surface pour remplir partiellement ou totalement les pores de tous les commutateurs concernés par la matière semiconductrice active. L'interface critique inférieure entre le semiconducteur et la couche formant l'électrode est maintenant isolée.Si l'on désire obtenir une configuration du semiconducteur actif différentes de celle de l'éleetrode supérieure qui doit y être appliquée, l'application de la ou des couches d'électrode supérieure est différée à une partie ultérieure du processus qui va entre décrit.Sinon, la ou les couches de l'électrode supérieure sont appliquées ensuite (ce qui constitue la forme la plus efficace et la forme préférée de l'inventni) si bien que l'interface entre le semiconducteur et les couches d'électrode immédiatement supérieures sont aussi isolées complètement et immédiatement de l'ambiance environnante. Be support traité peut, si on le désire, être retiré de la chambre de dépôt et l'étape suivante du processus peut se faire très facilement dans des conditions nouvelles ou moins sévères. Dans l'un ou l'autre cas, on dépose ensuite une matière photodurcissable sur toute la surface de la couche semiconductrice activée de l'exemple précédent, et grace à des techniques photographiques c onv en ab le 8, > expose des zones précises, bien délimitées pour fixer la matière photodurcissable et ce sont ces zones de matière photodurcissable recouvrant les portions du semiconducteur et de la ou des couches constituant les électrodes qui forment le commutateur dont il est question. Les zones de résine photodurcissables non exposées sont ensuite éliminées.Un processus convenable de gravure ou d'élimination est ensuite.appliqué, il élimine par bombardement ionique ou par des produits convenables, chimiques ou autres, la matière semiconductrice active et la ou les couches d'électrode si elles existent , dans les zones où elles ne sont pas recouvertes par la résine, ou élimine ensuite la matière durcissable. Quand on n'a déposé que la matière semiconductrice active sur le support traité comme on vient de le dire, on peut d'abord nettoyer rapidement la surface du support traité, par exemple en soumettant la surfac e à i a solution de décapage préalablement utilisée, et puis en la plaçant immédiatemant dans un espace débarassé de contaminant comme la chambre dépôt sous vide déjà mentionnée avant qu'une contamination importante puisse advenir. Si le support traité n'a pas été nettoyé en surface avant d'être placé dans un espace sans contaminant, comme la chambre de dépôt sous vide, déjà mentionnée, on peut aussi nettoyer la surface exposée du semiconducteur actif par bombardement ionique. Dans l'un ou l'autre cas, on applique ensuite une ou plusieurs couches de matière formant électrode sur le support traité, dans l'espace sans contaminant pour découvrir la matière semiconductrice active. Bes portions indésirables de l'une ou des couches d'électrodes sont ensuite éliminées par un procédé sélectif comme celui qui a été décrit, et que l'on applique très facilement en dehors de l'espace sans contaminant déjà mentionné. Les caractères et avantages précédents de l'invention seront mieux compris et appréciés d'après les détails qui suivent et les dessins annexés dans lesquels les numéros de référence, identiques sur les différentes vues, désignent des éléments ou composants semblables. Dans les dessins - les fig. I à 4 illustrent quatre étapes successives d'un exemple de processus de réalisation d'un commutateur suivant l'invention, la fig. 4 représentant le dispositif terminé. En se reportant maintenant à la fig. 4, on voit un commutateur à semiconducteur 10 comprenant un pore 12 formé dans une couche 14 de matière isolante qui est de préférence un dépôt de matière isolante réalisé sur la surface 16 d'une couche inférieure 17 en matière pour électrode da'posée sur un support 19. Une couche 18 en matière semiconductrice active pénètre dans le pore 12 dont elle remplit au moins le fond et forme un contact électrique avec la surface 16 formant les électrodes, sur une zone limitée par la surface du pore 1?, La couche inférieure formant l'électrode est très avantageusement constituée par une matière réfractaire conductrice comme du molybdène amorphe, du tantale, du tungstène du niobrium, du carbure de molybdène, du sulfure de vanadium, ou autres métaux semblables réfractaires ou leurs carbures, sulfures ou oxydes et le support 19 peut être un isolant 23 comme du verre, ou une pièce de matière semiconductrice recouverte d'une pellicule isolante et dans d'autres cas, la partie au moins qui recouvre la couche 17 constituant l'électro- de peut être l'électrode d'un circuit intégré constituant une diode ou un transiFto: dans une plaquette de silicium ou autre élément similaire constituant le support. Le dispositif semiconducteur 10 comprend une ou plusieurs couches formant l'électrode supérieure 22, la couche la plus proche de la couche semiconductrice 18 pouvant être très avantageusement constituée d'une matière conductrice réfractaire comme du molybdène déposée sur la couche semiconductrice 18. Une couche extérieure de matière fortement conductrice comme de l'aluminium ou une matière semblable (non représentée) pourrait recouvrir la couche de molybdène. Bien que la couche 22 formant l'électrode, recouvre le dépôt 18 de matière semiconductrice, la partie utile ou active de la matière semiconductrice est la portion intérieure au pore 12.Bien que l'épaisseur du dépôt de matière semiconductrice puisse varier beaucoup pour les commutateurs à seuil ou à mémoire comme ceux que décrit le brevet américain NQ 3, 271, 591, elle sera en général, suivant l'invention comprise entre 1 et 15 microns suivant la valeur de la tension de seuil désirée. En tout cas, la trajectroire conduisant le courant au travers de la matière semiconductrice est confinée à une zone limitée, définie par le pore 12, ce qui fournit une caractéristique courant-tension uniforme pour chaque fonctionnement successif du dispositif semiconducteur ainsi formé. Cette zone limitée offre aussi un passage pour faible courant de fuite quand le commutateur semiconducteur concerné est à l'état de résistance élevée.Dans la plupart des cas, la matière semiconductrice active sera une matière sensiblement désordonnée et gé -néralement amorphe comme celle qui est décrite dans le brevet américain NO 3,271,591. Le procédé de fabrication des dispositifs commutateurs à semiconducteur 10, déjà décrite est illustrée par les figures successives 1 à 4. Comme on l'a indiqué précédemment, il faut prendre soin d'éviter aux contaminants d'atteindre les interfaces critiques entre les couches des électrodes 16 et 22 et la couche semiconductrice active 18. L'électrode inférieure 16 en molybiè- ne amorphe ou matière semblable, et la couche isolante 14 avec le pore 12, sont d'abord déposées sur une zone choisie du support 19 par un procédé convenable quelconque. (Si le support est prévu pour un certain nombre de commutateurs, on réalise alors sur le support le tracé désiré pour les couches d'électrode 16 et les couches isolantes 14 des dispositifs de commutateurs). Le support résultant est alors placé dans un système à vide, de préférence dans une chambre de dépôt par projection , où il sert de cathode dans un processus de dépôt à hautes fréquences au cours duquel les surfaces exposées du support sont soumises à un bombardement ionique pour éliminer les surfaces contaminées du support 19, des couches 16 constituant les électrodes inférieures et des couches isolantes 14. Puis sans rompre l'étanchéité, la matière semiconductrice active et aussi de préférence les matières constituant les électrodes supérieures sont alors vaporisées ou projetées sur toute la surface du support pour remplir totalement ou partiellement les pores 12 de tous les commutateurs prévus sur la matière semiconductrice active et pour recouvrir la matière semiconductrice active avec la matière constituant les électrodes. Les interfaces critiques entre les matières du semiconducteur et des électrodes sont alors entièrement isolées de l'espace environnant et par conséquent on peut sortir le support de la chambre de dépôt. Ensuite, on peut déposer une matière photodurcissable sur toute la surface de la couche d'électrode et par des techniques photographiques convenables, on expose des zones bien délimitées, comme la surface 26a de la couche 26, pour fixer la matière photodurcissable et ce sont ces zones de matière photodurcissable recouvrant les parties des couches de semiconducteur et d'électrodes qui doivent constituer le commutateur considéré. Les zones non-exposées de la matière photodurcissable sont ensuite éliminées, et on laisse le support comme l'indique la fig. 4. On applique ensuite un procédé de décapage sélectif en uti lisant des produits chimiques ou autres qui agissent de préfé- rence, d'abord uniquement sur les matières formant les électrodes et ensuite sur la matière semiconductrice, comme l'indiquent les fig. 2 et 3, pour éliminer ces matières dans les zones où elles ne sont pas recouvertes par la matière durcissable. Il est bien entendu que l'on peut apporter de nombreuses modifications à la forme préférée de l'invention sans sortir. de son objet REVENDICÂTIONS 1 - Procédé de réalisation d'un dispositif semiconducteur, sur un support, comprenant les opérations suivantes - la réalisation d'une couche de matière isolante sur une première couche conductrice formant l'électrode et recouvrant une portion de la surface du swport, cette couche d'isolant couvre aussi une zone limitée du support et comprend un pore découvrant une petite région de la couche conductrice, - l'élimination des portions de la surface de cette première couche conductrice exposées par ce pore pour en éliminer les contaminants, et - du dépôt, dans un espace sans contaminant, au-dessus de cette surface du support y compris sur la surface décontaminée de la couche formant l'électrode, d'une première couche de matière semiconductrice active et au-dessus d'une couche supérieure en matière conductrice formant électrode, et l'application d'un masque sur des zones choisies des couches formant l'électrode supérieure et des couche a de semiconducteur actif recouvrant la partie de la couche isolante contenant le pore, pour cacher seulement les zones de ces couches qui seront occupées par les couches supérieures formant l'électrode et par les couches de semiconducteur actif, dans le dispositif terminé, et en l'élimination sélective des portions de la couche conductrice formant électrode supérieure et des couches de semiconducteur actif non-cachées par le masque. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche conductrice formant l'électrode et la couche supérieure conductrice constituant une électrode sont réalisées avec la même matière, le processus d'élimination des parties non-masquées de ces couches de matière semiconductrice active et de matière conductrice formant les électrodes qui recouvrent le semiconducteur se faisant en deux étapes de gravure; la première étape de gravure n'agit que sur la couche conductrice supérieure qui forme l'électrode et l'étape suivante de gravure n'agit que sur la matière semiconductrice. 3 - Procédé de réalisation d'un dispositif semiconducteur comprenant une matière semiconductrice active déposée sur au moins une couche de matière constituant l'électrode placée à la surface d'un support, le procédé étant caractériséper lElnmmåUnn des contaminants des parties exposées de la surface de la couche formant l'électrode, et, par le dépôt dans un espace décontaminé, d'une façon générale, sur le support, y commis sur la surface décontaminée de la couche formant électrode, de la matière semiconductrice active, et par l'application d'un masque sur des zones choisies de la matière semiconductrice active pour recouvrir uniquement la zone qu'elle occupe dans le dispositif terminé et enfin par l'élimination sélectivement des couches de matière semiconductrice active non couvertes par le masque. 4 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les contaminants sont enlevés de la surface exposée quand celle-ci se trouve dans l'espace décontaminé. 5 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les contaminants sont éliminés de la surface exposée par élimination mécanique d'une partie de la surface exposée. 6 - Procédé de réalisation d'un dispositif semiconducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on sort le support préparé de l'espace décontaminé, on applique un masque sur des zones choisies de la matière semiconductrice active qu'elle occupe dans le dispositif terminé, et on élimine sélectivement les couches semiconductrices actives qui ne sont pas recouvertes par le masque, on élimine des contaminants des portions exposées de la surface de la matière semiconductrice active,et dans un espace décontaminé on dépose, d'une manière générale, sur le support y compris la surface décontaminée de la matière semiconductrice active au moins une couche formant l'électrode supérieure, on applique un masque sur des zones choisies de la couche formant l'électrode supérieure pour couvrir uniquement la surface qu'elle occupe dans le dispositif terminé, et on élimine sélectivement la couche constituant l'électrode supérieure, dans les parties non recouvertes par le masque. 7 - Procédé de réalisation d'un dispositif semiconducteur sur un support suivant la revendication 1, comprenant les opérations suivantes - formation d'une couche de matière isolante, sur une première couche conductrice constituant l'électrode, recouvrant une par tie de la surface du support, cette couche de matière isolante couvre aussi une surface limitée du support et comprend un pore exposant une faible surface de la couche conductrice, l'installation du support dans un espace décontaminé, et l'élimination des portions exposées de la surface de cette première couche conductrice par le pore pour en enlever les contaminants, puis à déposer, d'une manière générale sur la surface partiellement couverte du support, y compris sur la surface décontaminée, de la couche conductrice formant l'électrode, une première couche de matière semiconductrice active et une couche supérieure de matière conductrice formant l'électrode, - sortir le support préparé de l'espace décontaminé, appliquer un masque sur les zones sélectives de la couche supérieure formant l'électrode et sur les couches du semiconducteur actif recouvrant la portion de la couche isolante contenant le pore, pour ne couvrir que la zone qui est occupée par la couche conductrice supérieure constituant l'électrode et par les couches de semiconducteur actif, dans le dispositif terminé, et à éliminer sélectivement, les portions de cette couche conductrice constituant l'électrode supérieure et des couches de semiconducteur actif qui ne sont pas recouvertes par le masque. 8 - Procédé de réalisation d'un dispositif semiconducteur sur un support suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on forme use première couche conductrice constituant une électrode et couvrant seulement une partie de la surface de ce support, on décontamine des parties de la surface exposée de cette première couche constituant une électrode conductrice, et, ensuite dans un espace décontaminé, on dépose sur la surface partiellement couverte du support y compris sur la surface décontaminée de la première couche, une première couche de matière semiconductrice active et une couche supérieure de matière conductrice constituant une électrode, - on applique un masque sur des zones choisies des couches constituant l'électrode supérieure et des couches semiconductrices actives recouvrant la portion de la couche d'isolant qui contient le pore, pour couvrir uniquement les zones de ces couches qui soit occupées par l'électrode supérieure et par les couches de semiconducteur actif dans le dispositif termine. - on élimine sélectivement des portions des couches de l'électro- de conductrice supérieure et des couches semiconductrices actives non recouvertes par le masque. 9 - Procédé suivant la revendication 8, caractérise en ce que la première couche constituant l'électrode placée sur le support et la couche formant l'électrode supérieure sont constituées par la même matière, l'élimination des parties non-masquées des couches de matière semiconductrice active et des couches constituant l'électrode conductrice supérieure se faisant par gravure en deux étapes : la première étape n'agissant que sur la couche constituant l'électrode supérieure, et l'étape suivante n'agissant que sur la matière semiconductrice active. 10 - Procédé de réalisation d'un dispositif semiconducteur sur un support suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dépose une couche de matière isolante sur une première couche formant une électrode conductrice couvrant une partie de la surface de ce support, cette couche de matière isolante couvre aussi une zone limitée du support et comprend un pore laissant ap parattre une petite surface de la couche conductrice, on décontamine des portions de surface de la couche conductrice formant la première électrode, laissée apparente par le pore, on dépose, dans un espace décontaminé, sur la surface partiellement couverte du support y compris la surface décontaminée de la couche formant l'électrode, une première couche de matière semiconductrice active, on sort le support préparé de cet espace, on applique un masque sur des surfaces choisies de la couche semiconductrice active recouvrant la portion d'isolant contenant le pore, cachant uniquement les zones qui sont occupées par les couches semiconductrices actives du dispositif terminé, et on élimine sélectivement des portions de la couche semiconductrice active non cachée par le masque.