Brevet FR2385224A1 — publié le 19781020

La présente invention se rapporte au domaine des circuits électriques à état solide réalisés par des procédés d'intégration de leurs divers composants dans un bloc unique ou monolithique de matériau semi-conducteur. Les composants sont créés, à partir d'une face principale d'un bloc, par différenciations des valeurs et des types de conductivité de diverses régions de cels ci, habituellement obtenues par diffusions localisées de corps chimiques de dopage ou "impuretés". Les liaisons électriques nécessaires à leurs interconnexions sont alors réalisées par des bandes conductrices métalliques,-déposées sur une couche d'un matériau isolant recouvrant l'ensemble de la face principale du bloc où le circuit intégré a été créé ; les prises de contact de ces bandes avec les régions convenables sous-jacentes du bloc sont assurées par des ouvertures ou "puits" pratiquées dans la couche isolante. Les bandes conductrices sont habituellement réalisées par attaque chimique de zones choisies d'une couche-niétallique continue préalablement déposée sur 1'ensemble de la face principale, attaque limitée, selon des procédés connus, aux zones définies par des masques de résines. photo-sensibles de contours convenables. Les ouver turnes ou "puits" dans la couche de matériau isolant, nécessaires aux prises de contact, sont réalisées, de.la même manières par attaque chimique, après délimitation par masques de résines photosensibles. Cependant ces procédés, satisfaisants tant qu'on se limite à un seul réseau de bandes conductrices d'interconnexion, perdent une partie de leur îiabil#té- lorsque, avec la complexité croissante des circuits- intégrés, des croisements de connexions mutuellement isolées s'avèrent indispensables.Il est, en effet, fait alors appel à une superposition à plusieurs étages, de réseaux conducteurs, séparés par des couches isolantes intermédiaireset etles différences de niveau aux limites des diverses zones créées entratnent, comme il sera expliqué plus loin en détail sur un exemple, de graves inconvenients. Ces inconvénients proviennent, dans leur#principe, de ce que les diverses zones conductrices et isolantes superposées présentent des différences de niveau déterminant, à leurs limites, des rebords anguleux en marches d'escalier ; ces rebords entraînent alors le risque de ruptures des couches utiles qui les recouvrent, avec danger de courts-circuits pour les ruptures de couches isolantes, et-d'interruption de la transmission d'énergie électrique pour les ruptures de couches conductrices. La présente invention ne comporte pas ces inconvénients. Elle concerne un procédé de réalisation d'un réseau de connexions métålliques sur#;une couche isolante, cette couche étant constituée de silice, procédé apportant un remède aux inconvénients indiqués plus haut par une amélioration de la qualité du recouvrement de la face -principale du bloc semi-conducteur par la couche isolante. Il comporte essentiellement, avant l'étape de dépôt de la couche de silice isolante, une étape caractéristique de création, sur la face principale du bloc de silicium, d'une couche de silicium d'accrochage dont la structure physique présente une granulométrie particulière. Ce dépôt acquiert alors des qualités d'adhérence et de recouvrement très améliorées, sa structure physique étant elle-même dotée d'une granulométrie liée à celle de la couche granu laire de silicium sous-jacent. Selon un mode de mise en- oeuvre particulièrement intéressant, adapté au cas des réseaux de connexions à plusieurs étages, le silicium nécessaire à cette couche peut être incorporé préalablement dans la couche métallique déposée, lors d'une étape antérieure, indiquée plus haut, pour la réalisation des bandes conductrices de connexion. La sous-couche de silicium granulaire est alors simultanément obtenue au cours d'une précédente étape du procédé, à savoir l'étape d'attaque chimique de la couche métallique continue destinée à délimiter les bandes conductrices de connexion. Le métal de la couche disparaît, laissant, si des conditions de températures particulières sont observées, le silicium granulaire non attaqué qui lui était incorporé. L'invention exploite, à titre de caractéristique fondamentale, la couche de silicium résiduelle habituellement considérée comme inutile et éliminée comme telle. Il y a ainsi une combinaison avantageuse de deux étapes du procédé, venant du fait que c'est l'attaque chimique de la couche métallique du futur réseau qui laisse subsister in situ une couche de silicium en grains particulièrement apte à constituer une couverture d'accrochage pour la couche de silice déposée ensuite pour assurer l'isolement entre les réseaux superposés. Il est d'ailleurs important de remarquer que, bien que le procédé trouve un domaine de mise en oeuvre particulièrement avantageux dans la réalisation de tels réseaux, son domaine d'ensemble s'étend à toute réalisation où une couche de silice de qualités exceptionnelles quant à l'adhérence et le recouvrement est désirée par exemple, dépôt, sur un substrat de,aemi-conducteur, d'une couche métallique d'aluminium dopé au silicium dans les-conditions de température spécifiées ci-après, peut être effectué en dehors de tout besoin de connexions quelconques, et être suivi d'une attaque chimique sur la totalité de sa surface pour provoquer la formation de la couche granuleuse de silicium désirée. Plus précisément, l'invention se rapporte à un procédé de réalisation de réseaux de connexion pour circuits intégrés, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes principales suivantes - création d'une couche adhérente et continue d'oxyde de silicium sur une face principale d'un bloc de matériau semi-conducteur d'un premier type de conductivité - création d'au- moins une ouverture dans ladite couche ; diffusion d'une impureté, de type de conductivité opposé au premier, par cette ouverture ; - dépôt d'une couche conductrice continue de métal, comprenant une certaine proportion de siliciumsur la couche d'oxyde de silicium, à une température comprise entre 2000 et 4000. - création d'un réseau de connexion par enlèvement par un agent chimique, dans des zones choisies, de la couche conductrice, et conservation du dépôt résiduel de silicium obtenu à la fin de l'étape - création d'une nouvelle couche adhérente et continue d'oxyde de silicium sur la face principale du bloc. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après, en s'appuyant sur les figures qui y sont annexées, où - la figure I représente,vue en coupe, une portion de bloc semi-conducteur traité suivant l'art connu - la figure 2 représente, -à diverses étapes de son traitement, une portion de bloc semi-conducteur traité suivant le procédé de l'invention. La figure I représente, vue en coupe, une portion de bloc de semi-conducteur, traité selon les procédés connus pour réalisation d'un circuit intégré muni de deux réseaux de connexion. respectivement déposés sur des couches d'un matériau isolant tel que de la silice. A partir du bloc ou substrat de silicium I, on crée des régions de type de conductivité opposé telles que 2, par diffusion ou implantation. Pendant ou après cette création, une couche d'oxyde de silicium ou silice 3 est formée sur le substrat. Des ouvertures telles que 4 sont ensuite formées dans la couche isolante 3, par un procédé connu de masques photo-sensibles, en prévision des futurs contacts électriques avec les régions sous-jàcentes. On dépose alors une première couche continue de métal, tel que l'aluminium 5, sur la première couche isolante, par une méthode d'évaporation, par exemple à,partir d'un creuset bombardé électro Diçlement ; la couche metallivue pénètre; par exemple en 6, dans les ouvertures de contact ou "puits" prévues dans la couche isolante. L'étape suivante réalise la création des connexions ellesmêmes, par attaque chimique et enlèvement des zones inutiles d'alu miniumlaissees libres en dehors des réserves de protection réalisées par des masques de résines photosensibles. Un corps permettant de réaliser de telles attaques peut être un mélange liquide comportant de l'acide orthophosphorique. Ainsi est terminé le premier étage ou niveau de connexions. On procède alors a' l'établissement du deuxième niveau. Pour cela, on effectue un nouveau dépôt d'une couche isolante 7, habituellement de la silice déposée à basse température, par exemple par décomposition pyrolytique in situ d'un composé tel que le silane, dans une gamme de températures comprises entre 3000 et 5000. On recommence alors un second cycle d'étapes semblable au premier, à savoir la création d'ouvertures#dans la couche isolante, telles que 8, un dépôt d'une couche 9 d'àluminium, une attaque chimique pour délimitation des conducteurs par la méthode des masques de résines photo-sensibles.~Ainsi est terminé le second étage ou niveau de connexions. Une précaution fréquemment prise dans la réalisation de la couche métallique consiste à incorporer à l'aluminium du dépôt une certaine proportion de silicium : on a constaté en effet qu'il en résulte une surface d'aluminium, et par conséquent des bandes conductrices, plus régulière et dépourvue d'excroissances.Un autre avantage découle d'une telle incorporation ou "dopage, à savoir une limitation du risque d'une réaction chimique entre la première couche métallique et le silicium sous-jacent au niveau des contacts, ce qui évite la destruction des jonctions peu profondes, Par contre, il apparaît l'inconvénient, après attaque chimique et disparition de l'aluminium au cours de la réalisation du réseau de connexions,d'un résidu de silicium formant une nappe irrégulière qu'il est nécessaire d'éliminer, avec une certaine difficulté pratique, soit par dissolution dans des:bains connus, soit par entranementmécanique d'un liquide, de l'eau par exemple D'autre part, la création des ouvertures dans la deuxième couche isolante (34) se fait par des méthodes classiques de photogravure.Il est alors connu, pour des raisons de stabilité électrique et mécaniqu#e, de doper au phosphore la silice qui constitue la couche isolante, conduisant à l'obtention d'un Verre SiO2 - P205. Mais il en résulte un inconvénient, cårtafin d'obtenir un profil d'ouverture des puits convenable, la partie supérieure de la couche isolante doit alors etre au moins aussi dopée que la partie inférieure ; or les résines photo-sensibles déposées sur la partie supérieure adhèrent mal sur de tels verres et cette opération est alors entachée d'imprécision. Néanmoinsyles problèmes majeurs se situent au niveau des dénivellations engendrées par le premier réseau de c'onnexions et cela bien que ces dernières présentent généralement des chanfreins dus aux solutions chimiques connues. Le recouvrement par la couche isolante du premier réseau métallique est délicat au niveau des "marches". Il faudrait augmenter 11 épaisseur de cette couche en A. Cela est encore plus vrai dans le cas courant, où la couche d'oxyde thermique (31) présente elle-même des dénivellations de plusieurs milliers d'angstroms. Il peut en résulter alors des courts-circuits locaux entre les deux couches métalliques, en B par exemple. De plus le relief se trouve généralement accentué après le dépôt de ra deuxième couche isolante quand cette dernière est de la silice, ce qui est le matériau le plus utilisé. Cela prédispose. évidemment la deuxième couche d'aluminium à d'éventuelles ruptures, en C par exemple. Le procédé de réalisation de réseaux de connexion multi-éta-e selon l'invention ne présente pas ces inconvénients.- Il assure une excellente continuité des couches isolantes-de silice et des connexions conductrices De plus, l'adhérence des couches de résines photo-sensibles est excellente sur les couches isolantes réalisées selon l'invention. La figure 2 représente, sur des vues en coupe, une portion de bloc semi-conducteur à diverses étapes du procédé selon l'invention. La figure fait apparaître en (b) une étape caractéristique du procédé qui se substitue à ltetese, décrite sur la figure I, de dépôt de la couche métallique continue destinée à procurer, après attaque chimique à travers des masques de résines photo-sensibles, les bandes conductrices de connexion. Le procédé se déroule alors suivant les étapes suivantes La figure 2 représente un substrat semi-conducteur 1 dans lequel les régions telles que#ll ont été diffusées ou implantées, apres avoir pratiqué des ouvertures 12 dans la couche d'oxyde 3 Une couche d'aluSinium-sisicium 13 est alors déposée sur toute la surface, par évaporation. Il peut s'agir soit d'évaporations simultanées de silicium et d'aluminium, soit d'évaporations séquentielles. Mais l#caractéristique fondamentale de cette étape est que l'on y porte le substrat semi-conducteur, pendant le dépôt, à une température comprise dans les limites particulières, typiquement entre 250 et 350 , conduisant à une structure spéciale de la couche. Cet apport de chaleur est représenté par des flèches 15. A l'étape suivante, l'attaque chimique est effectuée avec protection des zones où des bandes--co#nductrices sont à créer, et le silicium contenu dans l'aluminium, précipite au cours de l'attaque sous forme de grains adhérant-fortement à la silice sous-jacente, cette structure granulaire étant due au dépôt à la température définie plus haut. A la fin dé 1 étape on obtient une couche granulaire adhérente 16 de silicium telle que représentée-sur- la figure 2(b). Cette couche est intégralement laissée" sur le substrat. L'étape suivante consiste, comme représenté en (c), à déposer une couche de silice 17 par réaction chimique ou décomposition in situ d'un composé de silicium tel que le silane. Il est alors observé que la présence de la couche granulaire de silicium 16 déposée à l'étape précédente accélère localement la vitesse de la réaction en début de dépôt, en produisant une couche de silice 18 plus épaisse que sur les zones 18'recouvrant la couche métallique non attaquée. De plus, la couche de silice produite manifeste des qualités# d'adhérence et de recouvrement extrêmement améliorées. Ce mécanisme physico-chimique, qui s'apparente à une catalyse de la formation des premwières couches de silice apporte de plus la conservation de la structure granulaire initiale du silicium sous-jacent à l'ensemble de la couche de silice, structure particulièrement bien adaptée au recouvrement des divers régions à recouvrir. On obtient une couche d'aspect granuleux recouvrant parfaiteeent les rebords ou "marches" d'aluminium, même si ces dernières ne sont que faiblement chanfreinées Enfin, on doit remarquer que les dernières couches de silice, bien que moins granuleuses que les premières, le sont suffisamment, pour que les résines photo-sensibles y adhèrent normalement. Dans~le cas d'un circuit intégré ou d'un élément discret ne comportant qu'un niveau de métallisation il ne reste qu'à effectuer des ouvertures dans cette couche de silice pour permettre des liaisons électriques extérieures par des fils rapportes. Dans le cas d'un circuit intégré à deux niveaux de connexions, ce qui vient d'être décrit est à nouveau répété. Après ouverture de puits 19 dans la couche de silice 17, une deuxième nappe d'aluminium-silicium 20 est déposée à chaud et attaquée, le silicium précipite encore sur la couche 17. On dépose alors une nouvelle couche de silice 21 dont le début de réaction de dépôt est comme dézà expliqué, localement catalysée par les grains de silicium. Cette dernière couche de silice est alors attaquée pour permettre la soudure des fils de connexions. Il est à rappeler que l'état de surface granuleux des couches de silice 18 et 21 se prête bien à l'adhérence des résines photo-sensibles. La mise en oeuvre du procédé est décelable par simple examen visuel de la couche de silice3de préférence à l'aide d'un microscope optique. La couche de silice obtenue a un. aspect granuleux uniforme, elle est peu transparente, et a une couleur marron. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation de réseaux de connexion pour circuits intégrés, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes principales suivantes - création d'une couche adhérente et continue d'oxyde de silicium sur une face principale d'un bloc de matériau de semiconducteur d'un premier type de conductivité - création d'au moins une ouverture dans ladite couche, diffusion d'une impureté de type de conductivité opposé au premier, par cette ouverture - dépôt d'une couche conductrice continue de métal, comprenant une certaine proportion de silicium7sur surla couche d'oxyde de silicium, à une température comprise entre 200a et 4000 - création d'un réseau# de connexion > parenlèvement par un agent chimique, dans des zones choisies, de la couche conductrice, et conservation du dépôt résiduel de silicium obtenu à la fin de l'étape : - création d'une nouvelle couche adhérente et continue d'oxyde de silicium sur la face principale du bloc. 2. Procédé de réalisation de réseaux de connexion, selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit métal est l'aluminium. 3. Procédé de réalisation de réseaux de connexion, selon la revenaication 1 caractérisé er ce que ledit agent chimique comprend de l'acide orthophosphorique. 4. Procédé de réalisation de réseaux de connexion, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit matériau semi-conducteur est du silicium. 5. Procédé de réalisation de réseaux de connexion, selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes supplémentaires de - création d'au moins une ouverture dans ladite nouvelle couche, découvrant une zone choisie du réseau de connexion. - Dépôt d'une nouvelle couche conductrice continue de métal, comprenant une certaine proportion de silicium - création d'un nouveau réseau de connexion par enlèvement, dans des zones choisies la nouvelle couche conductrice, et conservation d'au moins une autre zone choisie de ladite couche conductrice sur l'ouverture créée dans ladite nouvelle couche d'oxyde de silicium; assurant ainsi une interconnexion multi-éta#e. - création drupe dernière couche isolante adhérente et continue,,de protection du nouveau réseau de connexion. 6. ' Procédé de réalisation suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ladite dernière couche est constituée d'oxyde de silicium. 7. Procédé de réalisation suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ledit nouveau réseau de connexion par enlèvement est créé par un agent chimique. 8. Procédé de réalisation de couches d'oxyde de silicium à haute adhérence sur un bloc de matériau semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - dépôt d4une -couche continue de métal, comportant une certaine proportion de silicium, sur une face principale d'un bloc de matériau, semi-conducteur, à une température comprise entre 2000 et 4000 - attaque chimique de ladite couche, par un agent chimique sélectif dissolvant le métal mais n'altérant pas le silicium, et le laissant subsister sous forme d'un dépôt résiduel de granulométrie particulière - création d'une couche d'oxyde de silicium sur ledit dépôt résiduel. 9. Circuit intégré caractérisé en ce qN'il comporte au moins un réseau de connexion réalisé par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.