Brevet FR2469467A1 — publié le 19810522

La pressent invention concerne la métallisatlon de dispositifs à semi-conducteurs, et plus particulièrement des méthodes pour la déposition d'aluminium sur des dispositifs en silicium. te terme de dispositif tel qu'on l'emploie ici est censé comprendre non seulement des dispositifs discrets mais également des circuits intégrés. Les procédés classiques de métallisation pour la fabrication de circuits intégrés à semi-conducteurs nécessitent de couteaux équipements à vide pousse dans lesquels on fait circuler du matériau electriquement conducteur évaporE ou pulvérisé, ordinairement de l'aluminium, le long d'une trajectoire rectiligne à partir d'une source localisée. Cette technique présente le désavantage d'une productivité limitée des installations industrielles de métallisations du fait que les rondelles de semi-conducteur doivent habituellement être distribues par chargement dans un reseau de cuvettes supportées par un mécanisme à mouvement planétaire. Pendant unc h.ase de déposition, la surface avant de chacune des rondelles voit la source de vapeur et est revêtue par le matériau conducteur. Un autre inconvénient de ce procédé de revêtent à vue" est la mauvaise qualité du revêtement sur les parties verticales ou autres irrégularités de surfaee des rondelles traitées, en raison de l'effet de masque produit par ces parties. Qui plus est, l'énergie élevée necessaire dans lè traitement classique sous vide pour une atomisation rapide du matériau conducteur par des techniques d'évaporation Q faisceau d'électrons ou de pulvérisation entrain des inconvénients considérables à l'interface dans les dispositifs netal-oxyde - silicium (NOS). Cet incoavénient doit être ultérieurement surmonte par le chauffage des dispositifs jusqu'à une température relativement élevée, par exemple de 4700 C. A des températures de cet ordre la solubilité et la vitesse de diffusion du silicium dans l'aluminium sont assez élevées pour provoquer la formation de piqûres d'attaque dans les zones des fenetres de contact des dispositifs, dégradant ainsi les jonctions sous-jacentes. Cet effet est particulièrement nuisible dans le cas d'intégration à tràs grande échelle où on emploie des jonctions superficielles. Pour remédier à cette situation l'industrie des semioconducteurs a généralement adopte la technique de déposition d'l z de silicium dans les alliages dlaluminium pour maintenir la métalli- sation saturée de silicium quand on chauffe jusqu'à la température de recuit. Cette technique pose cependant d'autres problèmes. Par exemple, à cause de difficultés dans le contrôle de la conposition un film. des films à concentration en silicium excédant de loin les limites de solubilité sont déposés.De tels films posent des problèmes d'attaque et à cause de la réduction considérable de la solubilité du silicium dans l'aluminium quand la température décroît, du silicium de type p est précipitéen particulier dans les zones des fenêtres de contact. Ce silicium précipité accroît la hauteur de la barrière de SCHOTTKY effective avec le matériau de type n et donc augmente la résistance de contact. L'objet de l'invention est de minimiser sinon de surmonter ces inconvénients. La demande de brevet Français NO 79 27649 déposée le 9 Novembre 1979 décrit un procédé de métallisation d'un dispositif à semi-conducteur avec un revêtement fait d'un alliage d'a-uminium et de silicium, comportant l'exposition du dispositif à une atmosphère d'une vapeur d'alkyl-aluminium contenant du silane à une température comprise entre 250 et 5000 C et à une pression réduite. Dans le procédé de la demande brevet précitée l'slkyl-aluminium et le silane se décomposent pour déposer à la fois de l'aluminium et du silicium (phénomène de co - déposition"), formant ainsi l'alliage sur une surface semi-conductrice. Il a maintenant été reconnu que les conditions de déposition de l'alliage peuvent avoir un point de départ proche de ceux envisagés dans cette demande de brevet. En particulier il a été à présent découvert que les processus de déposition de l'aluminium et du silicium pouvaient s'effectuer soit séparément soit conjointement. Selon l'un des aspects de la présente invention il est fourni un procédé de métallisation d'un corps ou d'un dispositif semi-conducteur par un alliage de silicium et d'aluminium, comportant l'exposition simultanée ou successive du dispositif à une vapeur d'alkyl-aluminium et à du silane à une pression réduite et à une température élevée ou à des températures suffisantes pour provoquer la déposition et l'alliage des éléments. Selon un autre aspect de l'invention il est fourni un procédé de métallisation d'un corps semi-conducteur par un alliage de silicium et d'aluminium, comportant l'exposition dudit corps à une vapeur d'alkyl-aluminium à une température de 200 à 3500 C de façon à déposer un revêtement d'aluminium sur le corps, et l'exposition du corps revêtu dtaluminium à du silane andin qu'on élève sa température jusqu'aux environs de 350 à 5500 C ce qui provoque l'alliage du film d'aluminium avec le silicium. La technique de co-déposition consiste en une opération de déposition et de recuit en une seule étape, caractérisée par le fait que les films d'alumintum, saturés de silicium à la température de déposition sont déposés, de préférence après une phase d'activation de surface, à partir d'un mélange d'un alkyl-aluminium et de silane à une pression réduite. La température de déposition doit être comprise entre 250 et 5000 C, de préférence de 300 à 4000 C, pour fournir à la fois un recuit optimal et des caractéristiques d'alliage du dispositif à semi-conducteur particulier que l'on traite. L'hydrogène libéré lors de la décomposition de l'alkyl-aluminium et du silane augmente l'efficacité de recuit du procédé. Dans l'autre technique séquentielle de déposition on a recours à une opération d'alliage en phase gazeuse dans laquelle, après une phase d'activation de surface, on dépose des films d'aluminium par décomposition thermique d'un alkyl-aluminium à une température de 200 à 3500 C, de préférence comprise entre 240 et 3000 C, de façon à obtenir des caractéristiques optimales de déposition en ce qui concerne la qualité du film et son uniformité.Immédiatement après la phase de déposition de l'aluminium on fait passer du silane à l'état gazeux dans la région de déposition et on élève la température jusqu'aux environs de 350 d 5500 C afin de saturer l'aluminium avec du silicium à un niveau désiré selon le traitement ultérieur et de réaliser le recuit de l'interface MOS ainsi que la formation de contact ohmique. Pendant cette étape d'alliage en phase gazeuse on suppose que du silane est absorbé chimiquement sur le film d'aluminium que l'on a déposé en premier lieu, puis se décompose pour former du silicium. Ce dernier diffuse dans le film d'aluminium jusqu'à sa saturation. Il semble que, contrairement aux procédés classiques de déposition, aucune interface NOS ne se forme pendant la déposition chimique en phase vapeur et que la température de cette étape d'alliage en phase gazeuse, laquelle détermine le contenu en silicium du film, puisse être ainsi choisie aussi basse que possible tout en restant compatible avec une formation de contact ohmique et un traitement postérieur du semi-conducteur. Dans une modification de ce procédé l'appareillage de déposition peut avoir deux zones de température différentes, les rondelles de semi-conducteur passant dans la zone la plus chaude pour l'alliage en phase gazeuse après que la déposition a été effectuée. Dans une autre modification de-ce même procédé les films d'aluminium sont déposés par les moyens physiques classiques, par exemple dvaporation ou pulvérisation, suivis d'une étape de recuit dans le silane à une température élevée. Il a été établi que la présence de silane sature les films d'aluminium fraîchement déposés avec du silicium et évite la formation de piqûres d'attaque dans les fenêtres de contact, ces piqûres, en l'absence de silane, se formant à des températures de l'ordre de 3400 C. Dans chacune des techniques de déposition soit simultanée soit séquentielle il a été reconnu que l'adhérence et la qualité des films déposés étaient améliorées par l'exposition des rondelles de semi-conducteur à un gaz d'activation de surface, habituellement dr tétrachlorure de titane avant la déposition. Les températures employées sont choisies de façon à être assimilables à un traitement ultérieur du semi-conducteur destiné à fournir des couches de protection contre les rayures et à pouvoir au montage des puces. te procédé réalise des alliages d'aluminium et de silicium qui sont saturés de silicium à de telles températures et donc ne sont pas endommagés par le traitement ultérieur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif en se reportant à la figure annexée unique qui est une représentation schématique d'une installation prévue pour la métallisation de semi-conducteurs. La figure montre un semi-conducteur se présentant, par exemple, sous la forme de rondelles de silicium ll qui dolent être soumises à la métallisation ; on les dispose sur une nacelle ou un support 12 inerte, par exemple en silice puis on les place dans un four 13 hermétiquement fermé par une porte 14 et un joint 15. L'air du four 13 est pompé par l'intermédiaire d'un tube d'entrée latéral 16, chauffé jusqu'à la température de déposition requise et épuré par un gaz inerte, par exemple de l'argon, introduit à travers une valve 17 et un débitmètre 18 rattachés à un collecteur d'alimentation en gaz 19 qui alimente un tube 20 communicant avec le four 13. Après épuration l'alimentation en gaz est stoppée et le four est à nouveau pompé.Les rondelles 11 peuvent dans certaines applications être nettoyées en faisant passer par exemple de la vapeur d'acide chlorhydrique dans le four 13 par l'intermédiaire du collecteur 19, à la suite de quoi le four est à nouveau pompé, bien que dans la plupart des cas cette étape de nettoyage puisse être omise. Il est avantageux que les rondelles soient à nouveau exposées a de la vapeur de tétrachlorure de titane par l'intermédiaire du collecteur 19 à la suite de quoi le four est encore une fois pompé. Dans le procédé de déposition simultanée, la déposition d'un alliage de silicium et d'aluminium sur les rondelles s'effectue en faisant passer une vapeur d'alkyl-aluminium par exemple de tri-isobutyl-aluminium (TIBA), ou des mélanges d'alkyl-aluminium venant d'un réservoir à température contrôlée contenant les alkyles liquides, a travers une valve 22 dans le four 13 et an faisant simultanément passer du silane par 12 intermédiaire du collecteur 19 dans le four 13. L'alliage se dépose spontanément sur les rondelles li par un processus de décomposition thermique. Il semble que le processus d'incorporation de silicium dans le film d'alliage soit auto-restrictif par rapport à la limite de solubilité du silicium dans l'aluminium a la température de #e-pos-ition. Ainsi la concentration du silane n'est pas assez critique bien qu'évidemment, si la concentration en silane excède de loin celle requise pour saturer l'aluminium, la vitesse de déposition du film se trouve fortement réduite et l'on obtient des films de qualité médiocre. Quand la déposition est achevée on stoppe l'alimentation en silane et an alkyl-aluminium, at l'on fait monter le four à la pression atmosphérique avec le gaz inerte d'épuration. Les rondelles revêtues sent alors protes pour la gravure de la couche métallique et il n'est pas nécessaire d'avoir recours à un recuit ou à un alliage supplémentaire.La concentration du silane dans le mélange de vapeur ne semble pas critique et l'on a employé des pressions partielles de l'ordre de 20 à 260 Po Il est toutefois préférable d'employer une pression partielle de silane de l'ordre de 33 à 39 Pa. Dans l'autre procédé séquentiel de déposition, les rondelles 11, de préférence activées en surface avec de la vapeur de tétrachhorure de Titane sont exposées à la vapeur de TIBA venant du réservoir à température contrôlée 21 tandis que l'on maintient le four une température de 200 à 350 C. La déposition devrait de préférence étire effectuée dans une gamme de températures comprise entre 240 et 300 C. Après la déposition d'aluminium, l'alimentation en vapeur TIBA est supprimée, la four est à nouveau pompé et l'on fait monter sa température jusqu aux environs de 350 à 5000 C. On fait passer du silane pendant la cycle de réchauffement à travers le collecteur 19 ce qui effectue la déposition de silicium et un alliage ultérieur du silicium déposé avec l'aluminium. Quand la déposition est achevée, on pompe une fois de plus le four, on le rafraîchit et on 11 épure conte au préalable. Le procédé séquentiel permet uae optimisation indépendante de la déposition du film et des conditions d'alliage, alors que le procédé simultané présente l'avantage de la simplicité gracie a un compromis entre les exigences de déposition et d'alliage. Le procédé peut utiliser différents alkyles. Ainsi, par exemple, on peut employer du tri-éthylaluminium : du tri-isopropyl-aluminium, du tri-isobutvlaluminium (TIB & > de hydrure de di-isobutyl-aluminium (HYDIBA) ou des mélanges de ces produits. Pour obtenir des films de haute qualité, on devra employer le TIBA, l'MDIBA ou des mélanges de ces produits. La température a laquelle on-maintient le réservoir d'alkyles dépend de la vitesse d'évaporation de l'alkyle ou du mélange d'alkyles. De plus, le mélange alkyl-silane peut dans certaines applications être dilué par exemple dans de l'argon et/ou de l'hydrogène, ce dernier améliorant l'efficacité du procédé en ce qui concerne le recuit. On va maintenant décrire un enchatnement caractéristique du procédé simultané de métallisation de rondelles de silicium employant l'appareillage représenté par la figure annexée 1. Chargement de rondelles il sur un support 12 et insertion dans un four chauffé 13. 2. Pompage du four jusqu'à une pression inférieure à 1,33 Pa. 3. Nettoyage facultatif des rondelles 11 par exemple avec de l'acide chlorhydride et nouveau pompage (en général cette étape sera supprimée). 4. Activation en surface avec la vapeur de TICL4 et nouveau pompage. 5. Déposition effectuée en faisant passer du silane et de l'alkyl-aluminium dans le four 13. 6. Achevement de la déposition et nouveau pompage du four. 7. Augmentation de la pression du four jusqu'a la pression atmosphérique par Injection d'azote. 8. Déchargement des rondelles traitées avec rinçage a l'azote. Dans un tel procédé de déposition caractérisé par le fait que le four a été maintenu à 3500 C et que la déposition a été effectuée à partir de silane et de TIBA que l'on a fait passer à une vitesse de 200 ml/mn et à une pression de 533 Pa, il a été reconnu qu'une période de déposition de 4 mn produisait un film d'alliage d'une épaisseur d'un micromètre. On va aussi décrire un enchaînement caractéristique du procédé séquentiel 1. Chargement de rondelles sur un support 12 et insertion dans un four chauffé 13. 2. Pompage du four jusqu'a une pression inférieure à 1,33 Pa. 3. Nettoyage facultatif des rondelles avec de l'acide chlorhydrique et nouveau pompage. 4. Activation de surface des rondelles avec de la vapeur de TICL4 et nouveau pompage. 5. Maintien du four à une température comprise entre 200 et 3500 C et passage de vapeur de TIBA pour effectuer une déposition d' aluminium. 6. Achèvement de la déposition et nouveau pompage du four. 7. Passage de silane pour commencer l'alliage en phase gazeuse. 8. Augmentation de la température du four jusqu'aux environs de 300 à 5500 C. 9. Achèvement de l'alliage et nouveau pompage. 10. Augmentation de la pression du four jusqu'à la pression ttmospherique avec de l'azote et déchargement des rondelles avec rinçage à l'azote. 11. Rafraîchissement du four jusqu'a la température de déposition de l'aluminium et rechargement avec une autre fournée de rondelles. Dans un tel procédé séquentiel de déposition, on a d'abord maintenu la température du four à 2700 C pendant une période de déposition d'aluminium de 4 mn, avec une vitesse d'écoulement de TIBA de 200 rl/mn et a une pression d'environ 133 Pa.Puis on a fait passer du silane et l'on a élevé la température a 3900 C pour effectuer un alliage en phase gazeuse avec une vitesse d'écoulement du silane de 150 ml/mn et a une pression de 40 Ps.Ceci a produit un film d'alliage d'une épaisseur d'un micromètre et contenant 0,4 Z de silicium atomique.On n'a pas constaté la présence de piqûres d'attaque dans les fenêtres de contact de rondelles d'essai traitées par ce procédé alors qu'il a été reconnu que l'omission de silane pendant l'étape de réchauffement entraînait un grave piquetage des films d'aluminium dans tous les cas. Dans une modification du procédé décrit ici, on fait passer un gaz inerte, par exemple de l'argon ou de l'azote, depuis un réservoir 24 et une valve 23 dans le four 13 a des intervalles réguliers pendant le processus de déposition. On élève provisoirement la pression dans le four 13 au-dessus de la pression de la vapeur de TIBA ou du mélange TIBAIRYDIBA contenu dans l'évaporateur ce qui réduit pour un certain temps l'alimentation en alkyle. Ceci permet une suppression périodique des produits de réaction venant du four 13, qui sont entraînés avec un gaz inerte dans la pompe. Dans d'autres réalisations du procédé l1alkyl-aluminium ou le mélange d'alkyles peuvent Autre Injectés dans le four 13 par l'intermédiaire d'un dispositif d'atomisation.Sinon on peut faire passer l'alkyle liquide ou le mélange d'alkyle à travers un appareil de mesure dans un dispositif d'évaporation instantanée ou continue. Dans une autre réalisation on peut employer un procédé séquentiel caractérisé par le fait que le revêtement d'aluminium est déposé grâce à d'autres techniques que la déposition chimique en phase vapeur. On peut par exemple avoir recours a l'évaporation sous vide ou à la pulvérisation. On procède alors à l'alliage du film d'aluminium et du silicium par exposition à du silane tandis que l'on élève la température jusqu'aux environs de 350 à 5500 C comme dans la description précitée. Le terme de dispositif > semi-conducteur tel qu'il est employé ici est censé d'appliquer à la fois à des dispositifs discrets et à des circuits intégrés. Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'a titre d'exemple non limitatif, et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre > l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de métallisation d'un corps semi-conducteur avec un alliage de silicium et d'aluminium, caractérisé par le fait que l'on expose le corps de façon sêquentielle ou simultanée à une vapeur d'alkyl-aluminium et à du silane à une pression réduite et à une température élevée ou à des températures suffisantes pour effectuer une déposition et un alliage des éléments. 2. Procédé de nétallisation d'un corps semi-conducteur avec un alliage de silicium et dsaXuninium, caractérisé par le fait que l'on expose le corps à une vapeur d'alkyl-aluminium à une température de 200 à 3500 C de façon à déposer un revêtement d'aluminium sur le corps, puis que l'on expose le corps revêtu d'aluminium à du silane tandis que l'on élève sa te-pérature jusqu'aux environs de 350 à 5500 C ce qui permet l'alliage du film d'aluminium avec du silicium. 3. Procédé conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la surface du corps semi-conducteur est activée par exposition à de la vapeur de tétrachlorure de titane avant la déposition d'allIage. 4. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que la déposition d'aluminium est effectuée à une température de 240 à 3000 C à la suite de quoi on effectue l'alliage avec du silicium en élevant la température jusqu'aux environs de 350 à 5500 C. 5. Procédé conforme à l:une quelconque des revendications 1 à 4, caractér.sn par le fai lue l'alkyl-aluminium comprend du tri-iso-butyl aluminium (TIBA), de l'hydrure de di-isobutyl aluminium (#YDIBÂ), ou des mélanges de ces produits. 5. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les vapeurs réactives sont diluées dans un gaz inerte. 7. Procédé conforme à la revendication 6, caractérisé par le fait qu'on fait passer le gaz inerte dans la région qui entoure le corps semi-conducteur de façon à disperser les produits de réaction en phase vapeur, la pression du gaz étant plus élevée que la pression de la vapeur réactive. 8. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le gaz réactif contint de l'hydrogène. 9. Procédé conforte à l'une que'~on-e des revendications i a 8, caractérisé par le fait que la vapeur d'alkyl-aluminium est fournie par évaporation d'une certaine quantité de l'alkyle liquide. 10. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 a 8, caractérisé par le fait que l'alkyl-aluminium est dispersé sous forme liquide à partir d'un dispositif d'atomisation. 11. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que l'alkyl-aluminium est dispersé à partir d'un évaporateur. 12. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que le semi-conducteur est du silicium. 13. Procédé de métallisation d'un corps semi-conducteur avec un alliage d'aluminium et de silicium, caractérisé par le fait que l'on expose le corps à une atmosphère de TIBA une pression de 133 Palet B une température de 2700 C ce qui permet la déposition d'une couche d'aluminius, et que l'on expose le corps à du silane à une pression de 40 Patandis que l'on élève la température a 3900 C pour effectuer un alliage en phase gazeuse de l'aluminium avec du silicium. 14. Procédé de métallisation d'un corps semi-conducteur, caractérisé par le fait qu'il comporte la déposition d'un revêtement d'aluminium sur le corps, et l'alliage de l'aluminium avec du silicium par exposition du corps revêtu d'aluminium a de la vapeur-de silane tandis que l'on élevée la température du corps jusqu'aux environs de 350 à 5500 C. 15. Procédé conforme à la revendication l4# caractérisé par le fait que le revêtement d'aluminium est déposé par évaporation sous vide ou par pulvérisation. 16. Procédé conforme à la revendication 14 ou 15, caractérisé par le fait qu'on fait passer ladite vapeur de silane a une pression de 40 Fa.