Brevet FR2391562A1 — publié le 19781215

Etat de la technique. Dans la fabrication des circuits intégrés, une plaquette de silicium mono-cristallin est gravée de façon variée et soumise à la dIffusIon ou à l'implantation de concentrations contrôlées d'impuretés pour établir la topologie désirée et les régions différentes de type N,de type P et isolante qui forment la multiplicité des structures semi-conductrices actives et passives. Un stade final dans la fabricatlon d'un dispositif opératif est l'apposition d'un dessin de film d'aluminium pour établir les interconnexions métalliques entre les structures de façon à fabriquer un circuit désiré. Les parties de ce dessin sont terminées par des lignes de--prolongement auxquelles des fils sont attachés extérieurement ; les fils se prolongent en des broches de borne de l'ensemble termine. Le dispositif, à ce stade de fabrication, est terminé de façon fonctionnelle et pourrait avec un support et une terminaison mécanique-appropriée, fonctionner comme faisant partie d'un ensemble électronique #tel qu'un récepteur de télévision, un calculateur etc... La capacité de fonctionnement serait cependant ecourtée:car la contamination d'environnement pourrait profondément affecter le caractère des Jonctions à semi-conducteur et les régions qui les touchent. Plus particulièrement, des ions sodium et lhumidité présents dans l'atmosphère pourraient facilement diffuser dans le"silicium et changer radicalement les caractéristiques du dispositif. De telles influences provoqueraient la inort du dispositif en seulement quelques heures aux températures ordinaires. Il est, par conséquent, de pratique commune de dé poser une couche de silice, tsi 2) qui, dans -sa#fQrme amor- phe, est essentiellement du verre. Cette couche protège le silicium sous-Jacent du contact avec les gaz atmosphériques et la vapeur. De plus, elle protège la surface de la plaquette et de sa métallisation contre l'abrasion et les éliment contaminants gras tels que les particules de poussière qui pourraient être introduites pendant le découpage de la plaquette en tranches séparées. Si la tranche est alors disposée dans un enrobage étanche, la couche passivante de Sjû2 est habituellement suffisante. La tranche reste protégée à l'encontre de la contamination résiduelle à l'intérieur de l'enveloppe qui est à son tour protégée contre d'autres contaminations par l'enrobage étanche. Cependant l'enrobage étanche est relativement onéreux et ainsi, pour la plupart des produits de consommation et indus- triels, les tranches enrobées complètement de verre sont encapsu lées dans de la matière plastique après la liaison des fils conducteurs. La matière plastique offre une protection mécanique adéquate et sert à exclure les contaminants gras.Cependant, la matière plastique est semi-perméable et l'humidité diffuse à travers elle après une certaine période. L'humidité transporte aussi des ions métalliques, en particulier du sodium. La couche de verre passavant protége le dispositif tel que décrit ci-des- sus contre ces contaminants pendant une période s'étendant de quelques semaines k des années, suivant la température, les polarisations électriques et l'épaisseur ainsi que la cons- titution du verre lui-me#me. Du verre contenant environ 3 i 10 #, et de rançon classique de 5 à 7 #, de phosphore a démontré sa capacité à arrêter les ions de sodium. Cependant ces ions, pendant une période prolongée, diffusent à travers le verre en nombre suf- fisant pour altérer les caractéristiques électriques du dispo sites. De tels taux de diffusion sont accrus à des températures plus élevées de la tranche et par des champs électriques qui sont produits par des différences de potentiel survenant en fonctionnant entre les diverses régions de la surface de la tranche. Par conséquent, un objet de la présente invention est de protéger l'essentiel de la surface d'un dispositif à semi-conducteur de -l'humidité et des ions métalliques présents dans l'atmosphère. Brève description des dessins. La figure 1 est une coupe d'une partie d'un dispositif à semi-conducteur possédant une couche de verre passivant et une couche d'enrobage d'étanchéité de silice au-dessus du verre, en accord avec une fealisation de l'invention ; la figure 2 est une vue en plan des éléments représentés dans la coupe de la figure 1 ; la ligure 3 est un croquis schématique d'un fourneau de diSfu- siori dans lequel la couche d'enrobage d'étanchéité de silicium -est constituée sur le dispositif semi-conducteur des figures 1 et a la figure 4 est une vue en coupe transversale d'une autre réalisation de l'invention dans laquelle une deuxième couche de verre est appliquée au-dessus de l'enrobage d'étanchéité de silicium ; et la figure 5 est une coupe d'une troisième réalisation de l'invention. Description d'un mode de réalisation. En se référant maintenant à la figure 1, on a repré senté une coupe d'une partie d'un dispositif MOS oomplementaire (CMOS)'ou-circuit intdgré 10. En utilisant des procédés bien connus, on fabrique un circuit en partant d'un corps de silicium 11 possédant une surface principale lia ayant une concentration aéterminée d'impuretés de type N. En utilisant des techniques photolithographiques standards, différentes étapes de cache, de gravure et d' oxyda- tion suivent pour conduire, par exemple, à la fabrication d'une région 12 de type P dans laquelle on produit d'autres diffusions déterminant des régions de type N 13a et 13b. On comprendra que beaucoup de régions discontinues peuvent être constituées et pourvues d'autres éléments de circuits variés tels que des résistancesa des diodes, des transistors etc... Des étapes supplémentaires d'oxydation et de gravures suivent pour fournir une couche d'isolation de silice 14 possédant des fene- tres à travers lesquelles un film de métal approprié appliqué ultérieurement, tel que de l'aluminium 15, est étalé pour prendre contact avec le substrat de silicium. D'une manière classique, le dépôt d'aluminium est effectué par évaporation du métal sur des substrats qui sont à la température ambiante où ils peuvent monter à environ 3V06C dans un vide poussé. Dans ces conditions, l'aluminium 15 interagit très légèrement avec le silicium dans les zones non protégées par la couche d'oxyde 14. Dans l'étape ultérieure de cache et de gravure, le film d'aluminium 15 est divisé en beaucoup de traces indi- viduelles qui interconnectent des régions spécifiques. Pour des noeuds de circuit qui doivent etre reliés de façon externe, ces traces conduisent à des zones de métallisation étendues telles qu'indiquées par 15a dans les figures 1 et 2. En suivant la définition du dessin de métal, l'alu minium est "aggloméré" ou "allié". Dans un exemple classique, l'agglomération prend place dans une gamme s'étendant d'environ 400 à 50000 pendant environ 20 à 40 minutes. Dans ces exemples, l'atmosphère est de l'azote ou de l'hydrogène ou bien un mélange d'azote et d'hydrogène. Ce qui précède détermine des régions alliées 13a à 16c où le silicium- n'est pas protégé par la couche dioxyde 14.On comprendra que des températures d'alliage plus élevées, nettement au-dessus d'environ 500ex par exemple, détermineraient un étalement rapide des régions alliées vers le point où les régions 16a à 16c s'étendraient complètement à travers des régions N 13a et 13b pour contacter de cette façon la région P sous-Jacente 12. ceci déterminerait un raccourcissement indésirable des Jonctions P-N. Pour l'étape suivante, une cou#che isolante est alors déposée au-dessus de la couche d'oxyde entière 14 et la couche d'aluminium 15 aussi bien que des surfaces métallisées 15a. Une couche passivante de verre amorphe (Si02) a été utilisée en tant que couche isolante 17 où le verre amorphe possède une teneur sans phosphore, comme il a été décrit précédemment, allant d'environ 3 à 10 , comme limite active, et d'environ 5 à 7 vg dans des limites préférées. Le verre ne peut pas être déposé à une température beaucoup supérieure à environ 5000 ou il en résulte les raccourcissements indésirables décrits ci-dessus des Jonctions P-N. Dans les autres exemples, la couche d'isolation est constituée de verre sans-phosphore èt est aussi constituée de nitrures de silicium (si3N4). A la suite du dépôt de la couche -isolante 17, un enrobage d'étanchéité passif ou couche protectrice 18 est déposé au-dessus de la couche entiere 17 en plaçant la tranche 10 dans un fourneau de diffusion représenté à la figure 3. Le fourneau de diffusion 3U se compose d'une chambre 3Ua entourée de produit réfractaire 30b à l'intérieur duquel sont noyées des spires 30c de chauffage électrique contrôlées de façon thermostatique. L'atmosphère à l'intérieur de la chambre 30a est alimentée d'un mélange de gaz de silane (SiH4) et d'azote (N2). Un réservoir 25 contenant l'azote 25a et un réservoir 26 contenant 3 P de silane dans de l'azote 26a sont attachés à un collecteur 29 qui conduit à la chambre des fourneaux 30a. Les vitesses d'écoulement de l'azote et du silane telles qu'indiquées par des compteurs 27a et ba, sont contrôlée par des valves 27 et 28 respectivement et proportionnées à la valeur de dépôt désirée. Une ou plusieurs galettes 1t peuvent etre supportées dans une positon verticale sur un support 31 en quartz ou en silicium inséré à l'intérieur ou retiré du fourneau par une tige 32 actionnée de façon classique manuellement ou de façon automatique ou par une machine. La galette 10 est chauffée dans le fourneau 30 pour réaliser la croissance d'une couche de silicium.La température du fourneau 3O se situe dans la gamme de 450 à 525 C, approximativement, dans laquelle une température d'environ 475 C est une température préférée. La-vitesse de croissance de la couche de silicium 18 s'élève rapidement avec la température et ainsi pour des températurês en dessous d'environ 4500C dans le fourneau 3t, une couche de silicium utile peut être déposée mais la procédure de croissance est inéconomiquement longue.Pour des températures en dessous d'environ l@5 C, d'un bout à ltautre de la procédure, le silicium, dans certaines galettes 1, dans certains cycles de fabrication, ne se dépose pas du tout Le degré d'alliage d'aluminium-silici^mm augmente également rapidement avec la température. Ainsi à la limite supérieure de la gamme de température à environ 525-C, d'une procédure à l'autre, certaines des galettes 10,-dans certaines procédures de fabrication peuvent avoir leur région de jonction P-N, près des points de contact aluminium-silicium > détruites.Au-dessus d'environ 525 C, il survient une augmentation dans la destruction des- galettes avec la température dans le fourneau 30. A la température préférée d'environ 475-C,-les dépôts de couche de silicium d'enrobage d'étanchéité passive ont été faites dans la gamme de 500 8 00 A, approximativement. Cette gamme a été trouvée être une gamme préférée d'épaisseur de silicium et procure la protection à la contamination avec un compromis entre une couche de silicium plus épaisse beaucoup plus coûteuse tandis qu'à la limite plus fine, on obtient une fiabilité plus-basse du dispositif. Pour des couches de si-licium plus minces que 500 t l'économie est seulement une durée relativement plus courte de temps'de dépôt.En plus, pour ces couches plus fines que 500 , pendant la fabrication, des va nations en plus ou en moins de l'épaisseur de#procédure à procédure peuvent déterminer des épaisseurs de silicium fines de façon indésirable sur certaines galettes. Dans d'autres exemples, le silicium est#constitué sous une épaisseur allant de 500 à 3000 A, approximativement. Le film de silicium n'est, de façon désirable, pas très conducteur et procure une haute résistivité électrique approximativement 0,25 mégohms-centimètre. Ainsi une couche 18 de silicium passif relativement mince procure unè très haute résistance mais lorsque le film. devient plus épais, la résistance décroît. Si la couche de silicium est d'une épaisseur telle que la résistance a décru de facon substantielle, il peut survenir un problème si le fil 20 touchait accidentellement la couche de-silicium. Des exemples de valeur de dépôt de couche de silicium dans le fourneau 30 à des températures s'étageant de à 5250C aux vitesses d'écoulement d'azote et de silane indiquées dans un tube de diamètre de 100 mm sont indiquées dans le tableau suivant (Température 3 % de silane dans : Vitesse de : Vitesse de crois-) du fourneau azote :l'azote : sance de couche de silicium en ~C : vitesse litre/mn . litre/mn i on 450 : 2,7 . 6,8 : 1.600 475 : 2 > 7 : 6,8 : 5.000 500 : 2,7 6 > 8.500 525 2,7 : 6,8 : 13.000 t L'examen des galettes fabriquées dans les exemples précédants du tableau ci-dessus montrent une couche de silicium 18 qui sera polycristalline. Au moyen de la gravure sélective de la couche de silicium 18 et de la couche isolante 17, une fenêtre 19, comme représentée dans les figures 1 et 2, est constituée à travers les couches 18 et 17 pour permettre le passage du fil de borne 20 pour la connexion au noeud 15a. De cette manière, on produit un dispositif semi-conducteur 10 possédant une couche de silicium 18 pour protéger le dispositif de la contamination de l'humidité et des ions métalliques. Alors que le dispositif 10 qui est représenté comme partie dtun dispositif MOS complémentaire (CMOS), on comprendra que la couche de silicium 18 peut être utilisée en rapport avec d'autresdisposi- tifs semi-conducteurs exigeant une protection de la- contamina- tion. La figure 4 illustre une autre réalisation de l'-in Invention dans un dispositif semi-conducteur à oxydes métalllques complémentaire (CMOS) D7a. Toutes les étapes de fabrication jusque et y compris la gravure sélective d'une fenêtre dans une couche de silicium lb'- et la couche 17 de Si02 isolant sont les mêmes que celles décrite précédemment. Dans cette réalisation, avant que le fil de borne 20 soit attaché; une couche supplémentaire 35 de verre amorphe est déposée sur le dessus du dispositif tel que les bords de cette couche dans la fene- tre 19a s'écoulent vers le bas pour revetir les côtés de la fenêtre protégeant ainsi la couche de silicium 18 du contact avec le fil 20.Par une gravure sélective, la couche 35 peut être ouverte au-dessus de la ligne d'aluminium pour permettre d'attacher le fil 20. Alternativement, la section verticale de la couche 25 à l'-intérieur-de la fenêtre 19a peut aussi être éliminée par gravure en abandonnant les bords des couches 17, 18 et 35 s'étendant à l'intérieur de la fenêtre 19a. Dans cette alternative, la couche 35 ne protège plus complètement la couche 18 du contact avec le fil 20.En enfermant le silicium }8 dans un sandwich de -verre-entre les les couches 17 et 35, le silicium est protégé de façon suppfémentaire contre l'abrasion et l'attaque chimique qui pourrait survenir pendant et après l'installation à l'intérieur de- matière plastique d'encapsula- ge. La figure 5 illustre encore une autre réalisation de l'invention dans le dispositif MOS complémentaire (CMOS) lOb. La fabrication de cette réalisation est similaire à celle de la réalisation illustrée aux figures 1 et 2. Cependant, d'une manière classique, un mince film 36 de nichrome est déposé pendant la fabrication du dispositlf, tel qu'illustré à la figure 5, sur le dessus des régions de silicium actives 11, 12 et 13 avant le dépôt de la couche d'aluminium 15. Pendant la procédure "d'agglomération" ou "d1alliage", des régions d'alliage trimétallique 37a, 37b et 37c sont constituées à l'endroit où l'aluminium rencontre le silicium à cause de la présence du film de nichrome 36.Ceci empêche l'alliage de l'aluminium dans le silicium et permet à la galette d'être soumise à des températures plus élevées, par exemple au-dessus d'environ 525~C, qui permettraient à la couche de silicium d'être déposée à l'épaisseur préférée de 500 à 1000 unités Angström dans un temps plus court augmentant ainsi grandement la fabrication tout au long de la demande. L'alliage peut aussi être inhibé en déposant de l'aluminium silicium à la place d'aluminium pur pour les interconnexions. Dans ce cas, les régions 15 de la figure 1 devraient être d'une composition en aluminium silicium lorsqu'elles sont déposées. L'aluminium étant maintenant partiellement saturé de silicium ne consommera pas autant de silicium à partir des zones de contact du dispositif lorsqu'il est allié. Ceci à son tour, pourrait permettre une plus haute température de dépôt pour la couche de silicium 16. Dans la réalisation de la figure 5, on notera que la fenêtre 19d a été gravée plus large dans la zone 19c qui est définie par la couche de silicium 18. De cette manière, on diminue pratiquement toute possibilité de contact entre le fil de borne 20 et la couche 16. La couche de silicium passive 16 peut aussi être déposée au moyen de techniques d'évaporation, de techniques de pulvérisation cathodique et de procédé à. plasma haute fré quence Dans ces exemples, la galette est maintenue aux environs de la température ambiante ou légèrement plus élevée et la couche de silicium détermine auss' une structure polycristal line. Cependant, la taille du grain peut devenir si petite qu'elle caractérise la'structure polycristalline comme étant amorphe. RENENDICATIONS 1 / Enrobage étanche pour dispositif à semi-conducteur comprenant un corps de semi-conducteur présentant une face principale, c a r a c t é r i s é par le fait qu'il est -prévu une couche de silicium d'enrobage étanche passive recouvrant la face principale pour protéger le dispositif de la contamination. 20/ Dispositif à semi-conducteur > tel que défini dans la revendication 1 > c a r a c t e r i s é par le fait qu'une couche isolante est interposée entre la face principale et la couche de silicium d'enrobage étanche. ) / Dispositif à semi-conducteur, de la revendication 2) c a r a c t é r i s é par le fait qu'une couche de métal est interposée entre la face principale et la couche isolante. 4e/ Dispositif à semi-conducteur tel que défini dans la revendication 3, c a r a c t é r i s é par le fait que la couche de silicium est constitué par du silicium polycristallin et que la couche isolante est constituée par une couche de passivation ou du verre. 5 / Dispositif semi-conducteur, tel que défini dans la revendication 4, c a r a c t é r i s é par le fait que ladite-couche de silicium d'enrobage d'étanchéité est directement constituée sur et entre en contact avec la totalité de la couche d'isolation. 6ç/ Dispositif à semi-conducteur, tel que défini dans l'une quelconque des revendications 4 ou 5, prise iso lément, c a r a c t é r i s .é par le fait qu'une couche de passivation isolante supplémentaire est directement constituée sur et entre en contact avec la couche de silicium d'en robage d'étanchéité et définit la couche-la plus extérieure du dispositif semi-conducteur. 70/ Dispositif à semi-conducteur, tel que défini dans lune quelconque# des revendications 4 ou 5, c a r a c t é r i s é par le fait que ladite couche de silicium polycristallin possède une épaisseur-- se situant dans la gamme de 500 à 3000 a approximativement. 80/ Dispositif à semi-conducteur, tel que défini dans l'une quelconque des revendications 4 ou 5, c a ra c t é r i s é par le fait que ladite couche de silicium polycristallin possède une épaisseur se situant, de préférence, dans la gamme de 500 à 1000 approximativement. 90/ Procédé de fabrication de dispositifs semi-conducteurs tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 8, prise isolément, c a r a- c t é r i s 6 par le fait que l'on constitue une couche de silicium d#'enrobage d'étanchéité passive recouvrant une#face principale d'un corps de semi-conduc -teur pour protéger le dispositif de la contamination. 100/ Procécé, tel que défini dans la revendication 9, c a r a c t é r i s é par le fait que iton constitue, en outre, une couche isolante recouvrant la face principale'avant d'effectuer lgopération prévue dans ladite revendication 9. 110/ Procédé, tel que défini dans la revendication 10, c a r a c t 6 r i s 6 par le fait qu'il est prévu une opération supplémentaire à ce-lle prévue dans la revendication- 10, consistant à constituer une couche de métal recouvrant la face principale avant d'effectuer lope'ration prévue à la revendication 10. 1207 Procédé, tel que défini dans la revendication' 11, c a r a c t é r i s é par le fait que l'opération prévue à la revendication 9 comprend la constitution de la couche de silicium d'enrobage d'étanchéité dIrectement sur et entrant en contact avec la couche d'isolation dans une chambre à une tem pérature allant de 450 à 5250C, approximativement. 130/ Procédé, tel que défini dans la revendication 12, c a r a c t 6 r i s é par le fait que l'operation prévue dans la revendication 9 comprend la constitution d'une couche de silicium d'enrobage d 'étanchéité pendant une durée suffisante pour réaliser une épaisseur se situant de 500 à 3000 a approxi mativement. 140/ Procédé, tel que défini dans la revendication 12, c a r a c t é r i s é par le fait que l'opération prévue dans la revendication 9 comprend la constitution d'une couche de silicium d'enrobage pendant une durée suffisante pour produire une épaisseur se situant de 500 à 1000 A approximativement. 15 / Procédé, tel que défini dans la revendication 13r c a r a c t é r i s é par le fait que l'opération prévue dans la revendication 9 comprend la constitution d'une couche de silicium d'enrobage d'étanchéité de silicium polycristallin et l'opération prévue dans la revendication 10 prévoit la constitution d'une couche d'isolation de verre. 160/ Procédé, tel que défini dans la revendication 15, c a r a c t é r i s d par le fait qu'il est prévu une opéra- tion supplémentaire de constitution d'une couche d'isolation supplémentaire rentrant en contact avec la couche de silicium d'enrobage d'étanchéité après l'opération prévue à la revendication 9.