Brevet FR2238249A1 — publié le 19750214

La présente invention concerne les films et dessins conducteurs de connexion des dispositifs à semi-conducteur, comprenant des nitrures de titane, de zirconium, de hafnium, de vanadium, de niobium et de tantale. L35 dispositifs à semi-conducteur, séparés ou en circuit intégré, nécessitent des films conducteurs à la fois pour la formation des contacts avec le corps conducteur et pour la connexion entre les contacts et les bornes. Des dispositifs de ce type sont bien connus et mettent en oeuvre des dessins de -films conducteurs recouvrant des revêtements diélectriques formés à la surface du corps semi-conducteur. tes procédés couramment utilisés depuis longtemps dans la technique des semi-conducteurs mettent en oeuvre des métaux élémentaires pour la formation des électrodes et des dispositifs conducteurs et, au cours du développement de ces techniques, on a utilisé des métaux et des conbinaisons de métaux très divers, de façon plus ou moins satisfaisante. Cependant, la sélection des matières conductrices convenables représente toujours un compromis entre divers critères imposés par les matières associées et par la compatibilité nécessaire des métaux choisis. Par exemple, il est important que le film conducteur adhère bien à la face sur laquelle il est disposé. La stabilité chimique dans les conditions de traitement et de fonctionnement est aussi tout à fait souhaitable. Ainsi, les réactions tinter face entre le film conducteur et les matières adjacentes sont habituellement nuisibles. De plus, la migration du métal est indésirable. Une caractéristique très utile des matières des films conducteurs est l'absence de changement de phase jusqutaux températures élevées utilisées. Lorsque la matière du film conducteur est au contact de la surface du s-emi-conducteur, une faible résistance de contact est souhaitable, et la matière doit pouvoir aussi pénétrer dans le-semi-conducteur en formant un al liage, à température-convenable. Un autre aspect Un aurezaspect important est la facilité et la- possibilité de mise en oeuvre de -la formation de tels films -conducteurs. Ces procédés doivent être compatibles avec les autres procédés utilisés pour la réalisation des dis positifs. Récemment, notamment dans le cas des circuits intégrés, on a mis au point une technologie à connexion scellée à "fil poutre", mettant en oeuvre un système à trois métaux comprenant le titane, le platine ou le palladium et l'or, pour la formation des dessins de connexion, notamment dans le cas du silicium semi-conducteur. Ce type de métallisation est décrit par exemple dans les brevets- des-Etats-Unis d'Amérique nO 3 287 612, 3 335 338 et 3 426 252. Bien que l'utilisation de systèmes à deux et trois métaux de ce type ait donné satisfaction dans de nombreuses applications, un système simplifié ayant une compatibilité élevée et capable de bien supporter diverses températures est souhaitable.Un autre critère encore plus important auquel doivent satisfaire les matières conductrices est que celles-ci doivent présenter une réaction faible ou nulle avec les matières adjacentes. 't' invention concerne--donc- de nouvelles compositions destinées à former des dessins conducteurs de connexion sur deys dispositifs à semi-conducteur, et les procédés de réalisation de telles compositions. L'invention concerne aussi la simplification de la métallisation des dispositifs à semi-conducteur à l'aide de matières qui sont stables et non réactives, le comportement thermique des dispositifs à semi-conducteur étant ainsi amélioré. Plus précisément, selon l'invention, le dispositif conducteur d'un dispositif à semi-conducteur est formé par un film d'un nitrure métallique réfractaire, le métal du nitrure étant le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium ou le tantale. Ces matières sont avantageusement formées en films minces par pulvérisation réactive du métal élémentaire dans un appareillage sous vide rempli en partie de gaz inerte et d'une quantité réglée d'azote. Ce procédé particulier est bien connu dans la technique pour la formation de certains types de résistances en couche mince, par exemple en nitrure de tantale t comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 242 006.Cependant, un appareil de pulvérisation à triode est avantageusement utilisé à la place de l'appareil à diode décrit dans xi dernier brevet précité. Plus précisément, les nitrures de titane, de zirconium et de hafnium sont particulièrement avantageux pour la formation de dispositifs conducteurs destinés à recouvrir des films diélectriques utilisés dans la technologie du silicium semiconducteur. Ces films diélectriques peuvent être en silice, en nitrure de silicium, en alumine, en silicate d'aluminium, seul ou en combinaison. Les trois nitrures réfractaires précités et les nitrures de vanadium, de niobium et de tantale ont des énergies libres relativement importantes de formation et en conséquence, sont très résistants aux réactions avec les matières sur lesquelles ils sont placés.De plus, leur température de fusion ou de dissociation dépasse 20000 C, si bien que ces matieres résistent très bien auxtraitementsthermiques qui peuvent faire partie de la fabrication du dispositif à semiconducteur. On sait que ces matières ont été utilisées essentiellement comme matières de résistance, notamment dans le cas du nitrure de tantale. Cependant, sous forme de films minces et dans les dimensions nécessaires aux circuits intégrés, les résistivités électriques de ces nitures, qui sont comprises entre environ 10 microhms.cm et environ 150 microhms.cm les rendent tout à fait souhaitables pour la réalisation de dispositifs conducteurs. Ses dessins sont de réalisation relativement facile par pulvérisation à laide d'un cache ou sous forme dtun cache, ou par attaque sélective après dépôt général.Ces nitrures peuvent former des connexions conductrices convenables par exemple sur des films de-silice ou de nitrure de silicium, entre des contacts ohmiques de siliciure de palladium ou de platine et les métaux des couches externes qui sont utilisés dans la technologie- précitée. Selon une autre caractéristique de ltinvention, ces nitrures métalliques réfractaires s'oxydent facilement et forment un film cohérent et isolant de l'électricité en surface, si bien qu'ils permettent la réalisation de circuis et de dessins conducteurs à plusieurs niveaux. Ces nitrures métalliques réfractaires sont- avantageusement déposés à température relativement faible par pulvérisation réactive avec des vitesses de dépit qui correspondent sensiblement à la moitié de la vitesse de dépôt du métal élémentaire correspondant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 est une vue en plan d'un. circuit intégré à semi-conducteur à connexion du type à "fil poutre" -; et la figure 2 est une coupe en élévation latérale d'une partie du dispositif de la figure 1. Les dispositifs représentés sur les dessins sont de simples exemples donnés à titre purement illustratif, permet tant d'indiquer l'utilisation de conducteurs en nitrure métal lique sur des dispositifs à semi-conducteur. Sur la figure t, le dispositif 10 est une plaquette 11 de silicium semi-conduc- - teur ayant un réseau périphérique de filspoutre 12. La surface. du dispositif contient un dessin de bandes eraductrices 13 qui relient les électrodes des divers éléments formés dans la. plaquette et qui relient aussi les circuits formés auxconnecteurs externes, Les filés 12. La surface de la plaquette porte, en trait interrompu 14, des zones diffusées détimitant des parties d'éléments de circuit telles que des diodes, des résistances et des transistors. Les contacts avec ces éléments sent locaîiés dans les zones repérées en trait interrompu. - dans lesquelles le dessin de métallisation est relié à la surface du semi- conducteur. Sur la figure 2, la partie 20 représentée en coupe correspond à une plaquette d'un dispositif comportant un dessin de métallisation. La partie 20 comprend un substrat 21 de conductivité de type N+, portant une couche épitaxiale 22 de conductivité de type p. Des zones 23 de conductivité de type N représentent un dispositif d'isolement des éléments ou composants dans le -circuit intégré, de . manière connue. Des zones 24 de-type N représentent une première diffusion destinée-à la formation de zones constituant des bases de transistors ou des parties de résistances ou remplissant d'autres fonctions électriques. Des zones 25-de type P représentent une autre diffusion destinée à former des zones qui peuvent constituer les émetteurs des transistors ou qui peuvent constituer des parties de diodes ou de résistances.Des zones 26 et 27 de type N peuvent être avantageusement formées par implantation d'ions, par mise en oeuvre d'un cache séparé et, dans le mode de réalisation considéré, ces zones forment des régions de source et de drain d'un transistor à effet de champ à grille isolée. Il faut noter que la structure préalablement décrite est un simple exemple et que de nombreuses variantes sont connues dans la technique, y compris la mise en oeuvre de couches enterrées, de diverses techniques d'isolement ainsi que de diverses combinaisons de diffusion à l'état solide et d'implantation d'ions. Il faut noter que la surface dite active de la plaquette semi-conductrice est recouverte d'une couche diélectrique 28qui, de manière connue, forme un film passivant et protecteur. La couche 28 peut être en silice, en nitrure de silicium, en alumine, en silicate d'aluminium ou en combinaison de ces matières. Dans un mode de réalisation particulièrement avanta g e ux dans le cas de la technique des connexions étanches à fil poutre, la couche 25 comprend un film inférieur de silice adjacent à la surface de silicium et un film supérieur de nitrure de silicium.La réalisation de ces films et leur utilisa- tion pour la réalisation de caches lors d'une diffusion à Itétat solide ou d'une implantation d'ions d'impuretés convenables est bien connue dans la technique et ne fait pas partie de l'invention. Un dessin de bandes conductrices de connexions 30, 31, 32, 33 et 34 est formé sur le film diélectrique. Ces bandes correspondent aux bandes conductrices 13 de la figure 1. Elles relient les électrodes et font les connexions avec les zones de divers types de conductivité représentées en coupe sur la figure 2. De plus, la partie 29 du film conducteur forme ltélec- trode de grille du transistor à effet de champ à grille isolée dont les zones 26 et 27 sont les régions de drain et de source, et dont le film diélectrique 28 forme le diélectrique de grille. Dans un mode de réalisation, après formation des zones ayant divers types dé conductivité dans la plaquette semi-conductrice comme décrit précédemment, un dispositif convenable est utilisé pour l'ouverture sélective de fenêtres dans la couche 28 de manière que les zones dans lesquelles les élec érodes doivent être formées soient exposées. Avantageusement, les. surfaces recouvrant les zones 26 et 27 de type n et les zones 25 de type p ainsi que les zones 24 de type n, peuvent recevoir un film très mince de platine ou de palladium formé sur place'et transformé en siliciure métallique par un bref traitement thermique.Dans le cas de la connexion du film. 33 à la zone 35, une connexion de redressement est souhaitable et peut être avantageusement formée à l'aide du nitrure métal lique réfractaire lui-même, sous forme d'une connexion à barrière de Schottky. Le film de connexion des bandes 13 et les parties correspondantes place7esXau-dessus, comme représenté sur la figure 2, sont réalisés par disposition de la plaquette semiconductrice qui fait partie de centaines plaquettes analogues d'une grande tranche de matière semi-conductrice, dans un appareil de pulvérisation à triode à basse tension. Un tel appa reil est bien connu dans la technique et on ne le décrit pas en détail, Cet appareil comprend par exemple une chambre sous vide qui est mise sous un vide d'environ 1.10 6 torr par pompage. La chambre est alors remplie d'argon à une pression d'environ 1.10 -3 torr,et une décharge délimitée dans un plasma est déclenchée entre une anode et une cathode chauffées comprenant un filament de tungstène par exemple. La cible de pulvérisation, formée d'un métal élémentaire-choîsiparmi le titane, le zirconium, le hafnium, le-vanadium, le niobium et le tantale, et le montant sont disposés au-dessus et au-dessous des orifices du tube qui délimite le plasma. Une tensionnégative de 100-à 500 V est appliquée alors qu-'un courant réglé d'azote est introduit dans la chambre de pulvérisation. Les vitesses de dépôt du nitrure métallique correspondent environ à 40 à 60 % de la vitesse de dépôt du même métal élémentaire. Par exemple, des films o dont l'épaisseur est comprise entre environ 2000 et 5000 A peuvent autre déposés sous forme de dispositifs conducteurs convenables. De manière générale, la résistivité spécifique de ces films est fonction de la teneur en azote et en général elle est réduite lorsque la quantité azote est accrue Plus précisément, plus la matière déposée est proche des quantités stoechlométriques et plus la conductivité est élevée. En consé quence, l'avantage du dispositif de pulvérisation à triode est dans une certaine mesure qu'il permet le réglage de la teneur en azote et permet donc l'obtention d'une structure proche de celle qui correspond aux quantités stoechiométriques. Comme indiqué précédemment, le dessin de bandes 13 de connexion peut astre formé par disposition de caches au cours du dépôt par pulvérisation lui-meme, soit par disposition d'un cache amovible sur la face de la cible semi-conductrice soit par formation d'un cache in situ en matière diélectrique convenable, délimitant le dessin 13 de métallisation. Un autre procédé peut comprendre le dépôt du nitrure métallique réfractaire sur la totalité de la surface de la cible semi-conductrice, un cache convenable étant ensuite formé par les techniques photolithographiques, sur le film de nitrure métallique.Ensuite, une matière d'attaque sélective telle qu'une solution d'acide étbylènediaminetétracétique et de peroxyde d'hydrogène, dans le cas du nitrure de titane, èst appliquée et retire les parties -ndé.sirables du film de nitrure en laissant le dessin 13 des connexions. Enfin, lors de l'utilisation de caches séparés, les fils poutre 12 épais sont formés et constituent les fils externes des circuits intégrés, les grandes tranches de semiconducteur étant alors séparées en plaquettes dont l'une est représentée sur la figure 1. Dans -un mode de réalisation particulier de l'invention, un dispositif à semi-conducteur comprend un corps de silicium semi-conducteur comprenant un réseau de zones de divers types de conductivité, formant les composants d'un circuit intégré et portant un film passivant en matière diélectrique formé d'une couche de silice et d'une couche de nitrure de silicium placée au-dessus de cette couche de silice. Des contacts ohmiques sont formés par un mince film-de platine déposé par des feutres ou orifices du film passivant, Ie platine étant transformé par chauffage en siliciure de platine.Les connexions avec les contacts de siliciure de platine.sontréaIiséespar des bandes de nitrure de titane dont l'épaiss.eur est de l'ordre de 3000 et la largeur de tordre de 0,5 microns Certaines de ces bandes de nitrure de titane aboutissent à la périphérie de la plaquette au niveau de laquelle des contacts externes du type des fils poutre sont formés par dépit séparé de bandes épaisses dtor recouvrant et reliant les bandes de nitrure de titane. Lorsqu'unie structure à plusieurs niveaux doit être réalisée, comportant un ou plusieurs dessins conducteurs sup- plémentaires supperposés, la plaquette comprenant le dessin conducteur en nitrure métallique réfractaire est chauffée dans un four convenable en atmosphère d'oxygène. Ce traitement provoque la formation d'une couche d'oxyde isolant adhérant très fermement à la surface de nitrure métallique, cette couche étant essentiellement-formée d'un oxyde du métal réfractaire particulier. Ensuite, un dessin conducteur d'un second niveau, en même matière conductrice ou en une autre matière conductrice classique peut être formé directement sur la plaquette au-dessus du dessin conducteur initial qui est alors isolé. il est clair que les nitrures de métal réfractaire décrits dans le présent mémoire sont utiles pour. la formation de films conducteurs, non seulement destinés aux circuits in te'grées mais aussi aux dispositifs séparés à semi-conducteur ainsi qu'à certains circuits à couche mince. Par exemple, des transistors à effet de champ à grille isolée peuvent être réalisés séparément et de façon avantageuse avec une couche de nitrure de tantale formant l'électrode de grille et ayant une épaisseur de plusieurs milliers A, au-dessus d'un film diélectrique en silice et en alumine, formant le diélectrique de grille.Cette structure convient aussi aux réseaux en circuit intégré de transistors à effet de champ à grille isolée utilisés couramment par exemple pour la réalisation des mémoires d > infor- mation ou des circuits de mémoire. il faut noter qu'un avantage très important de la réalisation des transistors à effet de champ à grille isolée à 11 aide du nitrure métallique réfractaire constituant l'élec- trode de grille est la compatibilité avec le procédé d'åuto- alignement. Ainsi, 11 électrode de grille peut être formée puis, étant donné son aptitudé à supporter les températures élevées, les régions de source et de drain peuvent être formées par diffusion à l'état solide à'aide de l'électrode de grille ellemême constituant le cache qui délimite la partie du dispositif dans laquelle la source et le drain sont formés. Cette caractéristique était limitée jusqu'à présent aux structures des transistors à effet de champ à grille isolée comprenant une électrode de grille en silicium polycristallin. = Il est bien entendu que l'invention nta été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitu tifs: sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Dispositif à semi-conducteur, comprenant un corps semi-conducteur ayant au moins un contact, un film diélectrique passivant disposé sur la surface qui entoure ledit contact et au moins une mince bande conductrice recouvrant le film diélectrique et formant le dispositif conducteur dudit contact, ledit dispositif à semi-conducteur étant caractérisé errslrerr ce que la matière de la bande conductrice est le nitrure de titane, de zirconium, de hafnium, de vanadium, de niobium ou de tantale. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bande conductrice de nitrure métallique a une partie isolée électriquement, placée à la surface du film diélectrique et formant l'électrode de grille dans un transistor à effet de champ à grille isolée. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le film diélectrique passivant est en silice, en nitrure de silicium, en alumine ou en un mélange de telles matières0 ~ ~ 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit contact au moins est formé en siliciure de platine. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mince bande conductrice est---enItrur de -titane-. 6. Dispositif selon 1' une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est en silicium monocristallin et le film diélectrique passivant placé sous ltélectrode~de grille est en silice et en alumine. 7. Dispositif selon les revendications 2 et 6 prises ensemble, caractériser en ce que l'électrode de grille est en niture de tantale.