Brevet FR2188308A1 — publié le 19740118

La présente invention concerne les connexions utilisées dans la fabrication des dispositifs semiconducteurs tels que les circuits intégrés par exemple. Elle concerne plus particulièrement les connexions planes utilisées dans les structures étagées. Les qualités des structures de type planar sont actuellement bien connues et il est souhaitable que le caractère plan de ces dispositifs soit conservé lors de la mise en place des connexions. Celles-ci, par conséquent, ne doivent créer aucune surépaisseur ou dénivellttion. D'autre part, pour réaliser des structures de circuits intégrés de plus en plus compacts, il est nécessaire de réaliser des interconnexions croisées. L'isolement de ces dernières est un problème difficile à résoudre. Une méthode consiste à intercaler entre deux nappes conductrices réalisant deux connexions distinctes, une couche d'un matériau isolant. Malheureusement, dans les techniques actuelles, la mise en place d'une nappe conductrice entrante une surépaisseur à la surface du dispositif et le dépit de diélectrique effectué ensuite sur cette surface présente une dénivellation au droit de cette surépaisseur. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients et concerne un type de connexions constituées par des nappes conductrices noyées dans des nappes de. matériau diélectrique telles que les surfaces externes des unes et des autres se trouvent toujours dans un même plan. Elle concerne plus particulièrement les connexions du type dans lesquelles, un premier métal dit métal M1, est utilisé comme générateur de diélectrique sous la forme d'un de ses composés et un second métal dit métal M2, constitue la nappe conductriceessen- tiellement caractérisées par le fait que le métal M1 est choisi dans la gamme des métaux présentant lors de leur transformation métal # composé du métal, une augmentation substantielle d'épais seur A e pour une épaisseur initiale e1 et que l'épaisseur e2 du métal M2, servant d'une part de masque au métal M1 lors de la transformation de ce dernier en son composé, et de nappe conductrice d'autre part, soit choisie égale à #e. t'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des figures jointes parmi lesquelles les figures 1 à 4 représentent les étapes successives de fa fabrication d'un premier exemple de réalisation d'une connexion conforme à l'invention appliquée à un transistor bipolaire. Les figures 5 à 9 représentent des étapes successives de Sa- brication d'un second exemple de réalisation d'une connexion conforme à l'invention, appliqué à un système d'interconnexions croisées. On a choisi pour illustrer un premier exemple d'application de l'invention, un dispositif représenté sur la figure 1 en coupe et sur la figure 2 en plan g il s'agit d'un transistor bipolaire réalisé selon les méthodes connues de masquage et de diffusion. Sur le substrat 1 de type P ont été respectivement créés,la base circulaire 2 de type P+, l'émetteur circulaire 3 de type N+ et le collecteur 4 également de type N+. Une couche 5 d'un métal i'#'#, est déposée sur toute la surface de la plaquette.Les techniques de dépot utilisées doivent satisfaire à certaines exigences : la tem pératurc de traitement ne doit pas dépasser une valeur à partir de laquelle les caractéristiques électriques et métallurgiques des composants risquent d'évoluer ; le dépôt doit être réalisé dans des conditions de propreté aussi satisfaisantes que possible afin d'assurer un contact intime et non contaminant entre la couche déposée et le substrat. Une méthode, parmi d'autre, consiste à uti#ser les techniques de pulvérisation sous vide. Une couche 6 d'un second métal M2 est ensuite déposée, recouvrant entièrement le premier métal Ml. Comme le montre la figure 3, le métal M2 est ensuite élimine par un traitement approprié connu en soi sauf au droit des zones 2, 3 et 4 à connecter ou il subsiste suivant le profil des connexions 7, 8 et 9. lic rôle respectif des métaux M1 et M2 est le suivant : le métal M1 est par exemple un métal facilement oxydable au moyen d'un traitement thermique déterminé et le produit de cette oxydation est un oxyde ayant d'excellentes qualités diélectriques ; le métal M2 est choisi tel qu'il ne soit pas affecté par le traitement d'oxydation du métal ffi envers lequel il joue un rôle de masque, en protègeant les régions masquées du métal M1 de l'oxydation. Conformément à l'invention, le métal M1 est choisi dans la gamme des métaux présentant lors de leur transformation en composés chimiques de ces métaux, par exemple, une grande augmentation de volume telle que l'épaisseur de la couche 5, après oxydation, soit égale à (e + Q e1) ) si l'épaisseur initiale est e1. Dans le cas de l'oxydation, le métal est choisi par exemple dans le groupe tantale, hafnium, zirconium. D'autre part, conformément à une autre caractéristique de l'invention, l'épaisseur e2 du métal Me est choisie égale à b e. A titre d'exemple nullement limitatif et parce qu'ils satisfont parfaitement aux conditions énoncées ci-dessus, le métal M1 est du tantale , le métal M2 est de l'aluminium. Si le volume initial de la couche de tantale est Vl, le volume Vox de cette mdme couche après oxydation atteint une valeur VOX = 2,5 V m Il en résulte une augmentation de l'épaisseur initiale e1 de la couche de tantale : #e1 = 1,5 e1 Selon l'invention, l'épaisseur e2 de la couche d'aluminium est choisie égale à # e1, c'est-à-dire à (1,5 e1). La plaquette est ensuite soumise à un traitement thermique pro voquant l'oxydation du tantale et n'affectant ni la couche d'aluminium, ni les zones de tantale masquées par la couche d'aluminium comme le montre la figure 4. Etant donné l'ajustement respectif des deux épaisseurs e1 et e2 des métaux oxydables et non oxydables en fonction du coefficient de gonflement du métal oxydable durant le traitement d'oxydation, la face CD de la plaquette est parfaitement plane. En effet, elle possède des zones de diélectrique 10 ayant une épaisseur (e1 + #e1) et des zones conductrices comprenant d'une part, le métal M2 non oxydé d'épaisseur e2 = #e1, et d'autre part, les portions de métal M1 d'épaisseur e1 masquées par le métal M2. La somme des épaisseurs (e1 + e2) des métaux M1 + M2, constituant les zones conductrices est donc bien égale à l'épaisseur du diélectri que (e1 + #e1) puisque e2 = #e1. L'apport des connexions effectué selon l'invention conduit donc à un dispositif présentant une surface plane qui facilite son adaptation ultérieure à un grand nombre d'applications. Il apparaît clairement que cette opération peut autre répétée plusieurs fois conduisant ainsi à des structures étagées dont chacun des étages reste toujours parfaitement plan. Cette propriété est mise en évidence au moyen d'un deuxième exemple d'application de l'invention. Il s'agit par exemple, de l'élaboration d'interconnexions croisées pour circuits multicouches. Un des circuits est schématiquement représenté sur la figure 5 qui est une coupe,vue en perspective,d'un substrat 20 dans lequel existent des zones à connecter. Par exemple, le substrat 20 est un semiconducteur intrinsèque possèdant des propriétés isolantes et les zones 23-24, 21-22 sont des zones faites du meme semiconducteur mais fortement dopées. La zone 21 doit être électriquement reliée à la zone 22 et la zone 23 à la zone 24. Sur ce substrat, une couche de métal Mj tel que celui qui est utilisé dans la précédente variante est déposée uniformément en une couche 25 d'épaisseur et. Ensuite, une couche 26, figurée en traits mixtes,de métal M2,tel que le métal 1s2 de la première application,est déposée sur la surface de la plaquette. Cette dernière couche 26 est éliminée, partout où elle ne doit pas jouer son rôle conducteur ; en conséquence, elle subsiste seulement sur les zones 23 et 24 sous la forme des plots 27 et 28 et sur les zones 21 et 22 sous la forme de plots 29 et 30. La plaquette ainsi préparée est soumise à un traitement thermique transformant le métal H1 en oxyde, avec augmentation de -volume, le métal 2 et les portions de métal M1 protégées par le masque de métal M2 conservant leurs propriétés conductriees. La figure 6 représente la plaquette après ce traitement d'oxydation. L'oxyde 40 du métal M1 remplit tous les espaces compris entre les différentes nappes conductrices qui se trouvent ainsi isolées électriquement les unes des autres dans un matériau diélectrique. Conformément à l'invention, les épaisseurs des métaux M1 et M2 étant respectivement e1 et e2 telles que e2 ael (définie précédemment), la surface de la plaquette est parfaitement plane sans surépaisseur ni dénivellation. Le dispositif est alors prêt à recevoir la première interconnexion, par exemple, celle qui doit relier le plot 21 au plot 22. Comme le montre la figure 7, on dépose une nouvelle couche 50 de métal Mi sur toute la surface de la plaquette et une couche 60 de métal M2 limitée aux zones à connecter 21, 22, 23 et 24 avec la particularité qu'une nappe 41 de ce même métal M2 est déposée selon le profil de connexion désiré, reliant la zone 21 à la zone 22. Après traitement thermique et oxydation du métal M1, les nappes conductrices et en particulier, l'interconnexion 41 se trouve isolée dans l'oxyde 51 du métal Mt comme le montre la figure 8. Cette fois encore la surface de la plaquette est parfaitement plane puisque l'épaisseur e2 de la dernière couche 60 de métal M2 est égale à l'augmentation d'épaisseur de la dernière couche 50 de métal M1 dae à l'oxydation de ce métal Mî. La plaquette, dans cet état est prote à recevoir un nouveau cycle de recouvrement par les métaux M1 et M2, suivi d'oxydation du métal Mt jusqu'à la réalisation d'une connexion reliant les zones 23 et 24 à travers les plots conducteurs 70 et 71. La technique étant identique à celle qui a été décrite dans le cas de la réalisation de la connexion 41, la description de cette phase de fabrication est très allégée. La figure 9, dans laquelle les mêmes éléments portent les mêmes références, représente le dispositif muni de ses interconnexions croisées. Après l'obtention de l'interconnexion 41 noyée dans la nappe diélectrique 51, on procède au dépôt d'une nouvelle couche 81 de métal MI, et 82 de métal M2. Après oxydation, on obtient des nappes conductrices au niveau des zones 21, 22, 23 et 24 noyées dans une nappe diélectrique 72. lia plaquette est alors prête à recevoir l'interconnexion 80 destinée à relier la zone 23 à la zone 24 selon un profil de connexion déterminé. Pour cela, on effectue deux nouveaux dépôts, à savoir le dépôt 83 de métal M1, et le dépôt 84 de métal M2 On oxyde le métal X1 et on obtient deux plots conducteurs 100 et 101 correspondant respectivement aux zones 21 et 22, et une nappe conductrice 80 reliant les zones 23 et24, noyés dans une nappe de diélectrique 102. Cette succession d'opérations précédemment décrite peut autre répétée aussi souvent que nécessaire et adaptée à toute sorte de combinaisons aboutissant chaque fois à une structure plane dans laquelle des nappes conductrices sont noyées dans des nappes isolantes. Chaque couple de métal a et S2 fournit au niveau du métal MI seul, la nappe isolante, et au niveau de la superposition du métal X 2, la nappe conductrice, tandis que la structure reste parfaitement plane puisque l'épaisseur du métal M2 est choisie égale à l'augmentation de la couche de métal u dte à l'oxydation de ce métal M1. En particulier, chacune des interconnexions est isolée de la suivante au moyen d'une couche isolante parfaitement plane, d'épaisseur constante et réglable en fonction de 11 épaisseur initiale du métal M1 oxydable. REVES ATIONS 1. Connexion plane pour structure semiconductrice comportant au moins un étage du type constitué par au moins une nappe conductrice noyée dans un moins une nappe isolante, ladite nappe conductrice comportant au moins une portion d'une couche d'un premier métal facilement transformable en un composé chimique au moyen d'un traitement chimique déterminé, localement masquée au niveau de ladite portion par une seconde couche d'un second métal résistant audit traitement chimique, caractérisée en ce que ledit premier métal est choisi dans la gamme des métaux présentant une augmentation de volume lors de la transformation métal#composé chimique, telle que l'épaisseur initiale e de ladite première couche avant transformation subisse une augmentation d'épaisseur A après transformation partout où ledit premier métal n'est pas masqué par ledit second métal ; l'épaisseur e2 de ladite seconde couche est égale à ladite augmentation d'épaisseur b e1 2. Connexion plane selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit composé chimique est l'oxyde dudit premier métal 3. Connexion plane selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit premier métal est du tantale et ledit second métal de l'aluminium. 4. Procédé de fabrication d'une connexion plane comportant les étapes suivantes a) dépôt sur toute la surface du substrat portant au moins une zone à connecter, d'une première couche d'épaisseur e1 d'un premier métal oxydable, au moyen d'un traitement thermique déterminé b) dépôt sur toute la surface de ladite première couche d'une seconde couche d'un second métal résistant audit traitement c) enlèvement des portions de ladite seconde couche, situées hors de ladite zone à connecter caractérisé par les étapes suivantes a1) calibrage de l'épaisseur de ladite seconde couche b1) traitement thermique de l'ensemble de la plaquette 5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite première couche ayant une épaisseur et avant d'avoir subi ledit traitement et une épaisseur accrue d'une surépaisseur égale à ss el, après avoir subi ledit traitement ; ladite seconde couche est calibrée à une épaisseur e2 égale à ladite surépaisseur axe1 . 6. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit premier métal est du tantale et ledit second métal de l'aluminium. 7. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce que le cycle constitué par lesdites étapes est recommencé plusieurs fois.