Brevet FR2249450A1 — publié le 19750523

L'invention est relative à des inductances pour circuits intégrés et à son procédé pour la fabrication de ces inductances. Jusqu'à présent des inductances du type bobinées en matériau semi-conducteur n'ont pas été utilisés dans des circuits intégrés, leur emploi étant limité par des difficultés de fabrication. Les ingénieurs qui étudient des circuits intégrés et des plaquettes utilisant de tels circuits mettent en oeuvre un certain nombre de circuits variés pour pallier cette limitation. L'invention prévoit une inductance en matériau semiconducteur qui possède un corps en matériau semi-conducteur monocristallin comportant une première et une seconde surfaces principales situées à l'opposé ltune de l'autre, d'une résistivité sélectionnée et d'un premier type de conductibilité. Un certain nombre de régions d'un second type, c'est-à-dire de type opposé, de conductibilité et d'une résistivité sélectionnées sont formées dans ce corps. Chacune de ces régions s'étend entre les deux surfaces principales opposées, en se terminant dans ces deux surfaces selon deux surfaces d'extrémités opposées. Chacune de ces deux surfaces d'extrémités opposées se trouve dans le plan d'une seule des surfaces principales précitées.Le matériau de chacune de ces régions est constitué par le matériau semiconducteur constituant le corps, qui est recristallisé et contient en solution solide un matériau destiné à lui donner le second type de conductibilité et la valeur de résistivité sélectionnée. Chacune des régions constitue un trajet de faible résistance électrique destiné à conduire des courants électriques entre les surfaces principales opposées du corps. Une jonction P-N est formée par les surfaces contiguës des matériaux de chaque région et du corps. Des moyens sont prévus pour connecter électriquement les diverses régions de manière à fournir un agencement constituant un circuit série qui fonctionne comme une bobine d'inductance lorsqu'il est parcouru par un courant de conduction électrique L'invention est expliquée plus en détail ci-après à l'aide d'un de ses modes de réalisation, pris à titre illustratif mais nullement limitatif, en se référant aux dessins annexés dans lesquels:: -tà figure 1 est une vue en plan de dessus d'un corps de matériau semi-conducteur au cours de son traitement confor mément à l'invention, -la figure 2 est une vue en élévation du corps de la figure 1 en coupe suivant la ligne Il-Il de la figure 1, -les figures 3 et 4 sont des vues en élévation, en coupe, du corps des figures 1 et 2 au cours de son traitement ultérieur conformément à l'invention; -la figure 5 est une vue en perspective isométrique, en coupe partielle, de l'inductance du type bobinée réalisée conformément à l'invention, et -la figure 6 est une vue en élévation de l'inductance de la figure 5, en coupe suivant la ligne VI-VI de la figure 5. La figure 1 représente un corps 10 de matériau semiconducteur d'une résistivité sélectionnée et d'unpremier type de conductibilité. Le corps 10 présente des surfaces principales opposées 12 et 14 qui constituent respectivement les surfaces supérieure et inférieure de celui-ci. Le matériau semi-conducteur formant le corps 10 peut être du silicium, du germanium, du carbure de silicium, de l'arséniure de gallium, un composé d'un élément du Groupe Il et d'un élément du groupe VI ou un composé d'un élément du groupe III et dun élément du groupe V. Le corps 10 est poli mécaniquement, soumis à une attaque chimique pour éliminer tout dégât superficiel, rincé à l'eau désionisée et séché à l'air. Un revêtement de masquage 16 résistant aux acides est disposé sur la surface 12 du corps 10. De préférence ce revêtement de masquage est en oxyde de silicium obtenu par croissance thermique ou par dépôt par évaporation sur la surface 12 selon l'un quelconque des procédés bien connus des spécialistes. En utilisant des techniques photolithographiques également bien connues, un revêtement photorésistant, tel que par exemple du "Kodak Metal Etch Resist", est disposé sur la surface de la couche 16 d'oxyde de silicium. Ce revêtement résistant est séché au four à une température d'environ 80 C. Un revêtement de masquage approprié, délimitant une ou plusieurs figures géométriques, telles que par exemple un cercle ou un carré, est disposé sur la couche de matériau photorésistant et est exposé à une lumière ultra-violette. Après cette exposition, la couche de matériau photorésistant est lavée au xylène pour ouvrir des fenêtres dans le revêtement de masquage aux emplacements désirés pour des éléments conducteurs, de manière à permettre d'attaquer chimiquement sélectivement la couche d'oxyde de silicium 16 mise à nu à l'intérieur dea"fenêtres. L'attaque chimique sélective de la couche 16 d'oxyde de silicium est assurée par une solution d'acide fluorhydrique tamponnée (NH4F -HF). L'attaque chimique est poursuivie JUSqU'à ce qu'un second jeu de fenêtres 17 correspondant aux fenêtres du revêtement dé masquage photorésistant soient ouvertes dans la couche 16 d'oxyde de silicium, de manière à mettre à nu des parties sélectionnées de la s#urface 12 du corps 10 de silicium. Le corps 10 ainsi traité est rincé à l'eau désionisée et séché. Le reste du revêtement de masquage photorésistant est éliminé par immersion dans de 1'acide sulfurique concentré à 180 C ou par immersion dans une solution contenant une partie de peroxyde d'hydrogène et une partie d'acide sulfurique concentré, immédiatement après la formation de ce mélange. L'attaque chimique sélective de la partie mise à nu des surfaces du corps 10 est effectuée avec une solution acide mixte. Cette solution est constituée par 10 parties en volume d'acide nitrique à 70%, par 4 parties en volume d'acide acétique à 100% et par une partie en volume d'acide fluorhydrique à 486. A une température de 20 à 300C cette solution acide mixte attaque sélectivement le silicium du corps 10 à une vitesse d'environ 5 microns par minute. Une dépression 18 est formée par attaque chimique dans la surface 12 du corps 10 en dessous de chaque fenêtre 17 de la couche d'oxyde 16. L'attaque chimique sélective est poursuivie jusqu'à ce que la profondeur de la dépression 18 soit à peu près égale au diamètre ou à la largeur de la fenêtre 17 ménagée dans la couche d'oxyde de silicium 16. Toutefois on a découvert que la dépression 18 ne doit pas présenter une profondeur supérieure à 100 microns, du fait qu'il se produirait une attaque de la surface inférieure de la couche d'oxyde de silicLum 16. Cette attaque postérieure de la couche 16 d'oxyde de silicium a un effet nocif sur la largeur de lté- lément conducteur formé par migration à travers le corps 10. Une attaque chimique d'environ 5 minutes à une température de 250C donnera lieu à une dépression 18 de 25 à 30 microns de profondeur pour une fenêtre 17 d'un diamètre ou d'une largeur de 10-à 500 microns. Le corps 10 ainsi attaqué est rincé à l'eau distillée et séché par soufflage de gaz. De préférence on utilisera, pour sécher le corps 10 ainsi traité, un gaz tel que le fréon, l'argon ou un gaz analogue. Le corps 10 traité est disposé à l'intérieur d'une chambre d'évaporation de métal. Une couche de métal 20 est dépo- sée sur les parties restantes de la couche 16 d'oxyde de silicium et sur le silicium qui se trouve mis à nu à l'intérieur des dépressions 18. Le métal contenu dans chacune des dépressions 18 constitue la "gouttelette" destinée à pénétrer par migration à travers le corps 10. Le métal de la couche 20 est constitué par un matériau qui est soit à peu près pur en soi, soit dopé d'une manière appropriée par un ou plusieurs matériaux de manière à donner une covductibilité d'un second type opposé, au matériau du corps 10 à travers lequel il est transporté par migration. L'épaisseur de la couche 20 est approximativement égale à la profondeur des dépressions 18, c'est-à-dire d'à peu près 20 microns. Un matériau approprié pour la couche de métal 20 est l'aluminium, de manière à obtenir des régions de type P dans un matériau semi-conducteur constitué par du silicium du type N. Avant la formation par migration de conducteurs métalliques filiformes dans les cuvettes 18 et au sein du corps 10 de silicium, l'excès de métal de la couche 20 est enlevé de la couche 16 d'oxyde de silicium par des moyens appropriés, par exemple par abrasion à l'aide d'un papier au carbure de grain 600 ou par attaque chimique sélective. On a découvert que le dépôt par évaporation d'une couche 20 d'aluminium métal doit être effectué à une pression d'environ 1 x 10 Torr, mais ne dépassant pas 5 x 10 5 Torr. Lorsque cette pression dépasse 3 x 10 5 Torr, l'expérience a montré que ltalu- minium métal déposé à l'intérieur de la dépression 18 ne pénètre pas, par migration , à travers le corps 10. Ceci peut être attribué au fait que la couche d'aluminium est saturée d'oxygène et empêche un bon mouillage des surfaces contiguës du silicium. Le mélange initial d'aluminium et de silicium nécessaire pour la migration n'est pas obtenu par suite de l'incapacité des atomes d'aluminium de diffuser à travers la surface de séparation du silicium. D'une manière analogue le dépôt d'aluminium par projection n'est pas souhaitable lorsque l'aluminium semble saturé d'oxygène au cours du traitement. Les procédés préférentiels de dépôt d'aluminium sur le corps de silicium 10 sont constitués par le procédé par faisceau d'électrons et par les procédés analogues, dans lequel l'aluminium ne peut emprisonner que peu, sinon pas, d'oxygène. Le corps 10 ainsi traité, représenté sur la figure 3,est placé dans un appareillage de thermomigration, non représenté ici, et le métal contenu à l'intérieur de chacune des dépressions 18 forme une gouttelette 22 d'un alliage, du type riche en métal, du matériau du corps 10 présent dans chaque partie attaquée chimiquement de la surface 12 et diffuse par thermomigration à travers le corps 10 selon un procédé de fusion de zone à gradient thermique. Un gradient thermique d'environ 500C par centimètre entre la surface inférieure 14, qui constitue la face chaude, et la surface 12, qui constitue la face froide, s'est révélé approprié à une température moyenne du corps 10 de 700 à 1,350oc. Le procédé est mis en oeuvre pendant une période de temps suffisante à la migration à travers le corps 10 de la gouttelette riche en métal 22.Par exemple, pour une épaisseur de 20 microns de la couche d'aluminium métal, un gradient thermique de 50 C/cm, une température du corps 10 de l.lCO C et une pression de 1 x 10 5 Torr, un temps de chauffage au four inférieur à 12 heures est nécessaire à la migration de la gouttelette riche en métal 22 à travers un corps de silicium 10 de 1 centimètre d'épaisseur. La structure complète, après traitement, du dispositif est représentée sur la figure 4. La thermomigration de la gouttelette 22 forme une région 24 de matériau recristallisé du corps 10, qui contient une impureté solide constituée par le métal 20. Le type de conductibilité du matériau de la région 24 est d'un type différent, oppose, formant ainsi une jonction PN 26 le long des surfaces conti guës des matériaux de conductibilités de type opposé. La résistivité de la région 24 dépend au métal qui a diffusé par thermomigration à travers le corps 10. On a découvert que lorsque le corps 10 est réalisé en silicium, en germanium, en carbure de silicium, en arséniure de gallium, ou en un matériau semi-conducteur analogue, la gout-# telette 22 présente une forme préférentielle qui donne naissance aussi à une région 24 de même forme que la gouttelette 22. Dans un cristal où la thermomigration s'effectue suivant l'axe , la gouttelette 22 diffuse sous la forme d'une pla- quette triangulaire située dans un plan 1 ). Cette plaquette est délimitée, suivant ses arêtes, par des plans Une gouttelette 22 de longueur d'arête supérieure à O,lC centimètre est instable et se divise en plusieurs gouttelettes au cours de la migration. Une gouttelette 22 de longueur d'arête inférieure à 0,0175 centimètre ne diffusera pas, par migration, à l'intérieur du corps 10 en raison d'un problème de barrière superficielle. Le rapport de la vitesse de migration des gouttelet tes au gradiant thermique mis en oeuvre est fonction de la tem pérature à laquelle s'effectue la thermomigration de la goutte lette 22. Aux températures élevées, de l'ordre de 1.100 à 1.400"# la vitesse de migration des gouttelettes augmente rapidement lorsque la température augmente. Une vitesse de 10 centimètres par jour, ou 1,2 x 10 -4 centimètre par seconde, peut être obtenue avec des gouttelettes d'aluminium dans du silicium. La vitesse de migration des gouttelettes est égale ment affectée par le volume des gouttelettes. Dans un système aluminium silicium, la vitesse de migration des gouttelettes diminue d'un facteur 2 lorsque le volume des gouttelettes dimi nue d'un facteur 200. Une gouttelette 22 diffuse par thermomigration suivant l'axe tée par quatre plans antérieurs et par un plan postérieur. Il est indispensable de régler soigneusement le gra dient thermique et la vitesse de migration. Autrement, on pour rait obtenir une région 24 de configuration torsadée. Il semble qu'il y ait une dissolution non uniforme des quatre facettes antérieures , du fait qu'elles ne se dissolvent pas toujours à une vitesse uniforme. La non-uniformité de disso lution des quatre facettes antérieures (f 1 1 > peut entraîner une déformation de la gouttelette, de la forme pyramidale régu lière à une forme trapézoidale. Pour mieux comprendre le procédé de fusion de zone à gradient de température, ainsi que l'appareillage utilisé pour sa mise en oeuvre, on se reportera aux demandes de brevet dépo sées le même jour au nom de la demanderesse et intitulées: procédé de fabrication de dispositifs du type diode en profon deur", " Procédé de fabrication de dispositifs semi-conducteurs" et "Procédé par fusion de zone à gradient thermique pour la fa brication de dispositifs semi-conducteurs ". Les régions où le matériau est recrzstallisé présen tent des caractéristiques physiques pratiquement identiques aux caractéristiques théoriques, qui dépendent des matériaux considé rés. Divers matériaux peuvent être diffusés par migration à 1'intérieur du corps 10 pour y fournir diverses valeurs de résistivités et divers types de conductibilités. -Une-fois achevée la thermomigration des gouttelettes de métal 22 pour former une région en forme de colonne, une attaque chimique sélective ou une technique analogue est utilisée pour enlever de la surface 12 le reste de la couche 16 d'oxyde de silicium et tout défaut du matériau. La# surface 12 peut être traitée pour enlever du matériau et supprimer les dépressions 18. Dans une variante les dépressions 18 peuvent être laissées dans la surface 12. Dans le dispositif représenté sur les figures 5 et 6, des couches 30 et 32 d'un matériau électriquement isolant, tel qus par exemple, de l'oxyde de silicium, du nitrure de silicium, de l'oxyde d'aluminium ou un matériau analogue, sont disposées sur les surfaces correspondantes 12 et 14 du corps 10 traité, ceci par des procédés bien connus des spécialistes. En utilisant des techniques photolithographiques et une attaque chimique sélective, bien connues des spécialistes, des fenêtres 34 et 36 sont ouvertes dans les couches respectives 30 et 32 de manière a' mettre à nu sélectivement les surfaces d'extrémités de chaque région 24. Les parties exposées des jonctions PN 26 des surfaces 12 et 14 sont encore protégées par des couches isolantes correspondantes 30 et 32. En utilisant à nouveau des techniques photolithographiques et une attaque chimique sélective, un certain nombre de contacts électriques 38Leaiisés en un métal approprié, tel que par exemple en étain1 en aluminium, en or ou en métal analogue sont disposés sur les couches correspondantes 30 et 32 et sur les surfaces d'extrémités mises à nu des régions 24 de ces couches et agencés de manière à produire dans le corps 10 une inductance du type bobinée 40, de forme hélicoidale simple ou complexe, constituée par un matériau semi-conducteur. Des conducteurs électriques 42 et 44 peuvent être fixés aux extrémités opposées de la bobine 40 ainsi formée pour permettre de la connecter à des circuits électriques extérieurs. Lorsqu'on utilise un tel dispositif dans des circuits intégrés ou des ensembles analogues, il est préférable que cette inductance du type bobinée 40 soit électriquement isolée des autres dispositifs électriques dans le support commun qui les porte. Par conséquent , en se reportant de nouveau à la figure 5,en utilisant le procédé de thermomigration d'éléments métalliques filiformes de la même manière que pour la thermomigration des gouttelettes de métal 22, une grille électriqueme#nt isolante comprenant des régions 46 de conductibilité du type P et des jonctions PN associées 48 est formée dans le corps 10. Cette grille comporte des régions 46 qui peuvent s'étendre sur toute la largeur et sur toute la profondeur du corps 10 ou un certain nombre de régions planes se coupant l'une l'autre 46 peuvent être utilisées pour isoler électriquement l'inductance 40 du reste des circuits électriques formés dans le corps 10.Pour une description plus détaillée de ces grilles d'isolation électrique et de leurs procédés de fabrication, on se reportera à la demande de brevet déposée le même jour par la demanderesse et intitulée Procédé par fusion de zone à gradient thermique pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs". La formation par thermomigration d'éléments filiformes métalliques pour former une grille électriquement isolante est de préférence pratiquée selon les orientations de plans, les directions de thermomigration, les directions stables d'éléments filiformes et les dimensions stables d'éléments filiformes indiquées sur le tableau suivant:: -TABLEAU I Plan de la Direction de Directions stables Dimensions stables plaquette migration d'éléments filiformes d'élémentsfiliformes (100) 011 * * (110) (1107 (110 7* (ili) #îîî > 500 microns b) * * c)Toutes autres directions du plan 111 * * La stabilité de migration de l'élément filiforme est sensible à l'alignement du gradient thermique avec les axes et NB Le groupe a)est plus stable que le groupe b)qui-est lui-même plus stable que le groupe c). Dans la description ci-dessus de l'invention, le procédé de fusion de zone à gradient thermique est mis en oeuvre à une pression inférieure à la pression atmosphérique. Toutefois l'expérience a montré que lorsque le corps de matériau semiconducteur est constitué par une mince plaquette d'une épaisseur de l'ordre de 0,25 mm, le procédé de fusion de zone à gradient thermique pouvait être mis en oeuvre dans une atmosphère gazeuse inerte d'hydrogène, d'hélium, d'argon ou de gaz analogue dans un four à une pression égale ou supérieure à la pression atmos sphérique. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, 11 invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. -REVEND ICAT IONS - 1.- Inductance du type bobinée en matériau semi-conducteur, caractérisée en ce qu'elle comporte: - un corps de matériau semi-conducteur monocristallin présentant : une structure cristalline préférentielle; une première et une seconde surface principale situées à l'opposé l'une de l'autre, d'une résistivité sélectionnée et d'un premier type de conductibilité, au moins l'une des surfaces principales présentant une orientation plane préférentielle; un certain nombre de régions d'un second type de conductibilité, opposé, et d'une résistivité sélectionnée disposées dans le corps, chacunede ces régions s'étendant à peu près parallèlement à un axe préférentiel de la structure cristallographique entre les deux surfaces principales opposées dans lesquelles elle se termine, et comportant deux surfaces d'extrémités opposées, l'une de ces deux surfaces d'extrémités de chaque région étant située dans le plan de l'une des surfaces principales et l'autre surface d'extrémité étant située dans le plan de l'autre surface principale; le matériau constituant chacune de ces régions étant constitué par le matériau semi-conducteur, recristallisé, du corps et contenant un matériau dopant en solution solide pour lui donner une conductibilité du second type et une valeur sélectionnée de résistivité; chacune de ces régions constituant un trajet de faible résistance électrique destiné à conduire des courants électriques entre les surfaces principales opposées du corps, -une jonction PN, formée par les surfaces contiguës des matériaux de chaque région et du corps, et -des moyens pour connecter électriquement les diverses régions selon un circuit série de manière qu'elles se comportent à la manière d'une inductance bobinée. 2.- Inductance selon la revendication 1, caractérisée en ce que la résistivité de chaque région est essentiellement uniforme, d'un bout à l'autre de celle-ci. 3.- Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le matériau semi-conducteur est choisi parmi le silicium, le carbure de silicium, le germanium et l'arséniure de gallium. 4.- Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisse en ce que le matériau constituant le corps est du silicium drune conductibilité de type N et que le matériau dopant en solution solide est de l'aluminium. 5.- Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractériséeen ce que les surfaces principales opposées du corps présentent une orientation cristalline plane préférentielle choisie parmi les directions , ,(100 > et 6.- Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractériséeen ce qu'une région isolante électriquement est prévue dans le corps et isole électriquement l'inductance du reste du corps, le matériau constituant cette région isolante étant le matériau du corps, recristallisé et contenant un matériau en solution solide lui donnant une conductibilité d'un second type, opposé,et une résistivité sélectionnée, et en ce qu'une jonction PN est formée par les surfaces contiguës de la région isolante et du corps. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'orientation cristalline plane préférentielle est la direction 8.- Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérise en ce que l'orientation cristalline plane préférentielle est la direction 9.- Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la région électriquement isolante comporte un certain nombre de régions se coupant l'une l'autre, englobant à leur intérieur l'inductance du type bobinée en matériau semi-conducteur et en ce que chaque région présente une direction préférentielle pour les éléments conducteurs filiformes, pour une orientation selon un plan particulier donné des surfaces principales. 10.- Inductance selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que: -l'orientation plane spécifiée est choisie parmi les directions (100 > et 91112 . -les régions électriquement isolantessont constituées par deux paires de régions, les deux régions de chaque paire étant essentiellement parallèles l'une à l'autre et essentiellement perpendiculaires à chaque région de l'autre paire ainsi qu'aux surfaces principales opposées du corps. 11.- Inductance selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisée en ce que -la direction préférentielle des éléments conducteurs filiformes de chaque région isolante plane d'une des paires est choisie parmi les directions (0115 , (101 > et (lao) et -la direction préférentielle des éléments conducteurs filiformes de chaque région isolante plane de l'autre paire est constituée par n'importe quelle autre direction d'élément conducteur filiforme qui est essentiellement perpendiculaire à la direction d'éléments conducteurs filiformes des régions planes qu'elle coupe. 12.- Inductance selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisée en ce que -la direction préférentielle des éléments conducteurs filiformes de chaque région isolante plane de l'une des paires de régions est choisie parmi les directions , I 13.- Inductance selon la revendication 10, caractérisée en ce que -l'orientation cristallographique spécifiée de la région plane spécifiée est la direction - -la direction préférentielle des éléments conducteurs filiformes de chaque région isolante plane d'une des paires de régions est la direction -la direction préférentielle des éléments conducteurs filiformes de chaque région isolante plane de l'autre paire de régions est la direction 14.- Procédé pour fabriquer une inductance du type bobinée en matériau semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il consiste à: a) former un certain nombre de gouttelettes d'un métal sélectionné sur une partie sélectionnée d'une surface principale d'un corps de matériau semi-conducteur présentant deux surfaces principales situées à l'opposé l'une de l'autre. b) à établir un gradient thermique essentiellement suivant un axe du corps perpendiculaire aux deux surfaces principales opposées, c) à diffuser par thermomigration ces gouttelettes de métal sélectionné à travers le corps ~en direction de laine de température supérieure du gradient thermique, de l'une des surfaces principales opposées à l'autre surface principale dans laquelle se termine cette thermomigration, pour former un certain nombre de régions du matériau du corps, recristallisé; chacune de ces régions présentant deux surfaces d'extrémités opposées dont chacune ntestsituée dans le plan que d'une des surfaces principales, contenant sous forme de solution solide le métal sélectionné et présentant un second type de codductibi- lité, opposé à celui du corps, et formant aussi une jonction PN le long des surfaces contiguës de chacune des régions et du corps et d) à fixer des moyens de contact électriques sur des surfaces d'extrémités sélectionnées des diverses régions afin de former, à l'aide de ces régions, un circuit série, fonctionnant comme une bobine d'inductance. 15.- Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à former une région électriquement isolante dans le corps pour isoler électriquement l'inductance du type bobinée du reste du corps.