Brevet FR2471045A1 — publié le 19810612

La présente invention concerne d'une manière générale la formation d'électrodes sur les surfaces de corps de maté- riau semiconducteur et elle a trait, plus particulièrement à la préparation de telles surfaces pour l'application de telles électrodes. Afin de permettre l'exécution d'une fonction utile, on doit réaliser une connexion électrique sur un dispositif semiconducteur. Un procédé pour réaliser une telle connexion électrique consiste à fournir une couche ou des couches de métal particulier sur des parties du corps semiconducteur. On peut y réaliser des connexions de faible résistance élec- trique par des procédés de soudage, d'interface sèche à hau- te pression, ou analogues. Afin de s'assurer que l'on forme des électrodes de bon- ne qualité sur des surfaces de semiconducteur, on doit pren- dre soin à la préparation de ces surfaces avant d'y déposer une couche de métal. Jusqu'à présent on a utilisé divers pro- cédés de préparation de surface qui communément employaient le nettoyage de la surface dans un acide concentré ou analo- gue pour enlever les impuretés et fournir une surface favo- rable à la métallisation. Ces techniques chimiques de prépa- ration de surface par voie humide sont coûteuses et ennuyeu- ses, nécessitant souvent des immersions répétées du disposi- tif semiconducteur dans diverses solutions caustiques et/ou acides et également de multiples étapes pour assurer l'éli- mination complète de ces solutions par, par exemple, trempa- ge et rinçage. On peut éliminer certains des inconvénients du traite- ment chimique par voie humide par l'application appropriée d'un traitement au plasma de la pastille. Le brevet des Etats Unis d'Amérique n0 3.195.217, qui décrit l'application de couches métalliques à un corps semiconducteur par un jet de - plasma, illustre l'utilisation de plasma sous diverses for- mes pour le traitement de dispositifs semiconducteurs. Plus récemment, on a utilisé le traitement par plasma pour enle- ver des produits photorésistants lors du traitement de semi- conducteurs ainsi que pour la passivation de dispositifs semiconducteurs. Voir, par exemple, les brevets des Etats Unis d'Amérique nQ 3.816.196; 4.056.642; 4.104.090. L'attrait du traitement par plasma dans la fabrication de dispositifs semiconducteurs est dû à plusieurs considéra- tions incluant des réductions de coût et des rendements plus élevés, ainsi qu'à des facteurs de pollution. De plus, des avantages de traitement tels que l'aptitude à des traitements multiples successifs sans nécessiter la manipulation des pas- tilles, simplement par variations des conditions de plasma, rendent possible le traitement automatique des dispositifs semiconducteurs. Avec un tel traitement, les dispositifs semiconducteurs resteraient dans le réacteur à plasma et les étapes successives s'effectueraient en faisant varier la na- ture du plasma dans le réacteur. Un domaine du traitement des dispositifs semiconducteurs dans lequel il apparaît que l'on n'a pas jusqu'à présent em- ployé les techniques de plasma, est la préparation des surfa- ces du semiconducteur pour y appliquer des électrodes. Afin d'obtenir un contact ohmique de qualité élevée sur une surfa- ce de silicium diffusée, contact qui soit fabriqué facilement et qui satisfait aux spécifications requises du dispositif comme un contact de faible résistance avec la pastille et une adhérence mécanique élevée à celle-ci, on doit satisfaire, entre autre, aux conditions suivantes: - On doit enlever la région d'épuisement à la surface du silicium avant l'application du contact, - On doit fournir une surface rugueuse de silicium, tel- le celle obtenue par abrasion mécanique, pour assurer une bonne adhérence mécanique entre le matériau du contact et la surface de silicium. - La surface de silicium doit être exempte d'impuretés organiques et inorganiques ainsi que d'oxydes et d'humidité. Bien que le décapage par plasma seul soit capable de fournir une surface pour la métallisation qui présente les caractéristiques recommandées cidessus, on a observé que l'état de surface du dispositif semiconducteur dépend non seulement de la durée et des conditions de l'étape de déca- page par plasma, mais aussi de la nature de la région du semiconducteur dont on soumet la surface au traitement par plasma. Certaines surfaces, par conséquent, peuvent exiger des conditions d'attaque par plasma différentes de celles des autres afin d'obtenir le même état de surface final pour la liaison. Alors qu'il est relativement facile de régler les conditions de plasma si l'on prépare un type unique de région de semiconducteur en ce qui concerne la concentration du type de conductivité, et analogue, dans certains cas on prépare de préférence plus d'une telle région au moyen d'une seule étape de traitement par plasma. Par exemple certains thyristors comme les triacs comportent une seule électrode qui ponte deux régions superficielles adjacentes du semicon- ducteur ayant des types de conductivité et des concentrations superficielles différents. Le décapage par plasma de la surfa- ce comprenant ces deux régions conduit à un degré de non- uniformité qui nuit à l'application d'électrode sur celle-ci. En bref, selon un aspect de la présente invention, on a mis au point un procédé de préparation d'une surface d'un se- miconducteur comprenant des première et seconde régions su- perficielles adjacentes à des concentrations superficielles en impuretés différentes qui comporte le sablage par maté- riau abrasif de la surface, en attaquant simultanément alors par plasma la totalité de la surface, puis le dépôt d'une couche de métal sur la surface décapée. Normalement, si on emploie des régions de type -n et de type -p de concentration superficielle élevée, la région de type -n a une concentration superficielle légèrement plus élevée que la région de type p et, par conséquent, le nombre des dislocations introduites dans le réseau du silicium par diffusion est généralement plus grand que le nombre introduit par le dopant de type -p. On a découvert que, lorsque deux telles régions sont exposées-simultanément à un plasma gazeux pour la préparation de surface, indépendamment des conditions du plasma incluant la durée de l'attaque par ce plasma, la région de type -p présente une rugosité de surface finale moindre que celle de la région de type -n. Lorsqu'on applique ensuite une couche de métal sur la surface attaquée par le plasma, le degré d'adhérence à la région superficielle de ty- pe -p est moindre qu'à la région superficielle de type -n et une rupture du dispositif est possible, par séparation de la couche de métal de la région superficielle de type -p. On pourrait s'attendre à ce que, par certain traitement de pré- attaque de la région de type -p, on obtienne une surface plus -5 uniforme. Une telle étape de pré-attaque nécessiterait un mas- quage de la région de type -n et l'exposition sélective de la région de conductivité de type -p adjacente à un traitement de pré-attaque. Ce procédé conduit à l'accroissement de la possibilité de défaut d'alignement de traitement et analogue et, en conséquence, n'est pas recommandé. On a découvert, de façon très inattendue, qu'en abrasant légèrement la totalité de la surface à laquelle on souhaite appliquer un contact, c'est-à-dire, à la fois les régions de type -n et de type -p, et ensuite en attaquant par-plasma la totalité de la surface, on réalisait une rugosité de surface uniforme. Lors de l'ap- plication ultérieure d'une couche de métal à la surface dé- capée par plasma, on obtient un degré d'adhérence uniforme. Selon un aspect recommandé de la présente invention, on abrase la surface sur laquelle on désire réaliser le contact par un léger sablage de particules abrasives avec une fine poudre optique comme cela sera défini plus en détail ci-des- sous. L'effet de ce sablage avant l'attaque par plasma est quelque peu inattendu pour autant qu'il apparaît que le sa- blage n'affecte pas les régions de type -n et de type -p, de manière égale ce qui aurait pour résultat de maintenir la différence de rugosité de surface après l'étape d'attaque au plasma, mais a plutôt pour résultat une élimination de la différence de rugosité rencontrée jusqu'à présent lors de l'attaque par plasma-seule. On prépare le dispositif au silicium jusqu'au point o les électrodes métalliques sont appliquées par des techniques bien connues comme la diffusion avec masquage, l'attaque de rainure pour la passivation, le dépôt de verre, etc... Les zones auxquelles on doit appliquer un contact métallique sont délimitées par un masque qui est de préférence un mas- que photolitographique comme cela est très couramment utili- sé pour la diffusion masquée. Les zones o l'on souhaite un contact métallique sont ouvertes, et les autres zones in- cluant des rainures de verre et analogues sont masquées par le produit photorésistant. Ces techniques sont bien connues et aucune variation par rapport à ces techniques connues ne sont nécessaires pour la mise en oeuvre de la présente inven- tion. De préférence le produit photorésistant a une épaisseur o d'environ 60.000 à 80.000 A et peut être tout matériau qui n'est pas néfastement affecté par le sablage ou l'attaque par plasma. Si l'on souhaite appliquer des contacts des deux côtés d'une pastille semiconductrice, telle qu'une diode, un tran- sistor, un thyristor, ou un t-riac, on peut effectuer toutes les étapes suivantes sur les deux côtés de la pastille. Le sablage s'effectue en dirigeant un courant de particules à la surface du dispositif semiconducteur. Bien que le sablage lui-même soit une technique bien connue et puisse être utili- sé avec la présente invention sans modification particulière, on préfêre utiliser un matériau de sablage préparé de la ma- niêre suivante Tamiser une poudre optique n0 250 à travers un tamis de 74 V d'ouverture, placer la poudre tamisée dans une étuve à environ 1600C pendant au moins une demi-heure, stocker la poudre dans des récipients clos jusqu'à utilisa- tion. La poudre de sablage ainsi préparée est dirigée en un courant contre la surface de la-pastille semiconductrice. Après sablage, la surface aura un aspect gris terne plutôt que l'aspect métallique brillant d'avant sablage. Seul un sa- blage gris léger est nécessaire, quelques secondes par côté seulement étant nécessaires. Un procédé commode pour déter- miner l'importance du sablage requis consiste à peser les pastilles avant et après le sablage. On recommande d'enlever environ 0,762.10-3 mm à 1,78. 10-3 mm de silicium, le poids étant une fonction du diamètre de la pastille dont le calcul est bien connu. Après sablage, on nettoie les pastilles, par exemple, en les rinçant dans l'eau désionisée et en les cui- sant ensuite dans l'azote à environ 1400C pendant environ 10 minutes. Les pastilles sont maintenant prêtes pour l'attaque par plasma. Alors que l'on peut utiliser tout plasma qui at- taquera la surface de silicium tout en n'attaquant pas la surface de silicium masquée, on a trouvé que le tétrafluorure de carbone, CF4, que l'on peut acheter sous la marque Fréon- 14, auprès de Dupont Corporation, était avantageux à utiliser. De préférence, le plasma contient aussi une petite quantité d'oxygène. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n03.795.557 décrit un gaz recommandé. L'accroissement de la teneur en oxygène du plasma accroît le degré de réaction avec le maté- riau de masquage photorésistant, mais, en même temps, ralen- tit la vitesse d'attaque du silicium et en accroit le régla- ge. On recommande une teneur en oxygène d'environ 4%. En variante, on peut utiliser d'autres plasmastel que SIFY incluant également environ 4 pour cent d'oxygène. On peut faire varier les conditions du plasma et la du- rée de l'attaque pour accroître la vitesse d'attaque et di- minuer le temps requis, ou vice et versa, selon des princi- pes bien connus des spécialistes. On recommande cependant, une attaque ayant une durée d'environ 5 minutes à une température d'environ 750C. Les conditions du plasma dépendent jusqu'à un certain point du nombre de pastilles attaquées comme cela est bien connu. Les conditions décrites cidessus conviennent pour environ 50 pastilles dans une chambre de 25,4 cm de dia- mètre, et 45,7 cm de long. Si on ajuste les conditions du plasma de sorte que la région d'épuisement à la surface du silicium soit enlevée avant application du contact, la surfa- ce a un degré de rugosité qui fournit, pour la métallisation particulière utilisée, une rugosité convenable pour assurer une bonne adhérence mécanique à la surface, et finalement que la surface soit exempte de matières organiques et inorgani- ques, d'oxydes, et d'humidité. Comme mentionné précédemment, pendant l'opération de sablage entre 0,762.10 3mm et 1,78.10 3mm sont enlevés et les conditions du plasma sont établies pour enlever 1.10 3mm à 1,78.10 3mm. On recommande que la quantité totale de matière enlevée par abrasion mécanique et attaque au plasma soit suffisante pour ôter tou- te couche superficielle épuisée mais pas suffisamment impor- tante pour réduire la concentration superficielle en impure- té du dispositif. Immédiatement après leur enlèvement du réacteur à plas- ma les dispositifs sont prêts pour l'application des con- tacts métalliques. S 'il est nécessaire de stocker les pas- tilles après l'attaque par plasma, on recommande de les stocker dans une atmosphère inerte telle que de l'hydrogène sec jusqu'à leur placage. On recommande de plus qu'il ne s'écoule pas plus de deux heures entre l'attaque par plasma et le placage. Le placage en phase vapeur est un procédé recommandé pour l'application des électrodes métalliques aux disposi- tifs semiconducteurs traités selon l'invention. Alors que le procédé de préparation de surface de la présente invention fournit une surface qui convient pour une variété de métalli- sations, on a trouvé qu'il était avantageux d'utiliser des électrodes de chrome-nickel-argent. Bien qu'on ait décrit certains procédés et réalisations recommandés pour la formation de contacts électriques sur la surface d'un dispositif semiconducteur ayant plus d'une surface de région semiconductrice de concentration en impu- reté et de types d'impureté différents, on peut apporter di- verses modifications à la présente invention. Par exemple, on a décrit un procédé pour former simultanément une élec- trode sur la surface de régions de types -p et -n adjacentes telles que celles d'un triac; toutefois ce procédé s'appli- que à d'autres dispositifs semiconducteurs ayant des régions de conductivités de types opposés à pourvoir simultanément d'électrodes métalliques, y compris les cathodes et gâchet- tes de SCR, les régions d'émetteur de n'importe quels thy- ristors o les court-circuits d'émetteur sont prévus. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Procédé de fabrication d'un dispositif semiconduc- teur ayant sur lui une électrode métallique caractérisé en ce qu'il consiste à abraser mécaniquement la surface du dis- positif semiconducteur; à attaquer par plasma cette surface et à appliquer l'électrode métallique. 2 - Procédé de fabrication d'un dispositif semiconduc- teur comprenant une première et une seconde région de concen- trations en impureté différentes, caractérisé en ce qu'il consiste à abraser mécaniquement simultanément les surfaces des première et seconde régions; à attaquer par plasma si- multanément ces surfaces; et à appliquer une couche de mé- tal sur ces surfaces. 3 - Procédé de fabrication d'un dispositif semiconduc- teur consistant à former un corps semiconducteur ayant des première et seconde régions de concentrations en impureté différente et incluant chacune une partie de la surface, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à abraser mécanique- ment les parties de la surface de chaque région; à attaquer par plasma simultanément ces parties de surface; et à appli- quer une couche de métal à ces parties de surface. 4 - Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'abrasion mécanique consiste en un sablage par particules abrasives, des parties de surface. 5 - Procédé selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que les première et seconde régions sont des régions de type de conductivité opposé. 6 - Procédé de formation d'un dispositif semiconducteur comprenant des première et seconde régions coplanaires de densités de dislocations différentes caractérisé en ce qu'il consiste à abraser mécaniquement ces régions pour y égaliser les densités de dislocations, à simultanément attaquer par plasma ces régions, et à appliquer une couche de métal à chacune des régions grâce à quoi l'adhérence de la couche de métal est essentiellement uniforme sur la première et la se- conde région. 7 - Procédé de formation d'un dispositif semiconducteur ayant une première et une seconde région superficielle adja- centes de type différent, d'impureté de détermination de la conductivité, caractérisé en ce qu'il consiste à simultanément abraser les surfaces de la première et de la seconde région, simultanément attaquer par plasma les surfaces, et simultané- ment appliquer une couche de métal à ces surfaces, cette cou- che de métal adhérant également à la première et à la seconde région. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que l'attaque par plasma consiste en une attaque par un plasma de fluor. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que l'attaque par plasma consiste en une attaque par un plasma de fluor incluant quelques pour- cents d'oxygène.