Brevet FR2485809A1 — publié le 19811231

DIODE DE TYPE SCHOTTKY ALUMINIUM--SILICIUM, PROCEDE PERMET- TANT SA FABRICATION ET DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR COMPORTANT UNE TELLE DIODE La présente invention concerne une diode de type SCHOTTKY dont la barrière est située à l'interface d'une électrode métallique multicouche faite, en majeure partie au moins, d'aluminium,et d'un substrat semiconducteur fait de silicium. L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, les diodes équipant les circuits intégrés, en particulier des circuits intégrés logiques, circuits ou elles se trouvent généralement en nombre et dans lesquels, notamment, elles influent favorablement sur les vitesses de commutation. Les premières diodes de type SCHOTTKY réalisées dans des circuits intégrés étaient formées par dépôt d'aluminium sur des plages de silicium relativement peu dopé. Le procé- dé de réalisation est simple, économique, et présente l'im- portant avantage de se fondre aisément dans le processus général de prise de contacts à la surface d'un cristal semi- conducteur par dépôt d'aluminium. L'aluminium est en effet, comme on sait, le métal le plus fréquemment utilisé pour cette fonction, ceci en raison de sa faible résistivité notamment et de sa remarquable adhérence tant sur le sili- cium que sur les couches diélectriques employées pour l'iso- lement et la passivation, mais aussi en raison de sa sou- plesse qui lui permet d'absorber les contraintes mécaniques plus aisément que d'autres métaux ou alliages. Malheureusement, l'aluminium présente aussi un grave inconvénient: celui de dissoudre le silicium au cours d'une réaction de diffusion à l'état solide. Ce phénomène est bien connu dans tous les cas de contact d'aluminium, ou d'alliages à forte proportion d'aluminium, sur du silicium; il se tra- -2- duit par un déplacement progressif dans le temps, vers le silicium, de l'interface d'origine entre les deux matériaux. La surface du silicium, sous l'aluminium, apparaît semée de minuscules piqûres. L'effet est particulièrement néfaste pour une diode de type SCHOTTKY o la barrière se situe im- médiatement en surface du silicium. On assiste dans le temps à une rapide dégradation des caractéristiques de la diode, voire même à la destruction complète de ladite bar- rière qui fait place à un contact de type ohmique. L'aluminium a donc été. le plus souvent, abandonné pour la réalisation de diodes métal-semiconducteur. Les diodes de ce type rencontrées aujourd'hui dans les circuits intégrés ont une structure semblable à celle, ou calquée de celle, décrite dans le brevet français no 1.591.489. Suivant ce brevet, la barrière SCHOTTKY est obtenue entre une couche de siliciure de platine et du silicium. Pour former ladite barrière, du platine est déposé sur un substrat de silicium qui présente des zones nues limitées par des plages d'un matériau isolant. Puis les deux éléments, platine et silicium, sont liés physiquement par le moyen d'un traitement thermique pour former le siliciure de pla- tine. Après quoi, le platine non combiné (celui, notamment qui repose sur les plages isolantes) est éliminé par une attaque chimique. Finalement, on recouvre le siliciure de platine, de titane d'abord, puis d'une couche de contact de surface, de l'or par exemple, mais qui pourrait être de l'a- luminium. Ainsi, obtient-on une diode dont les caractéristi- ques électriques conviennent pour l'emploi avec des transis- tors de circuits intégrés logiques, et dont la stabilité et la longévité sont incomparablement meilleures que celles des diodes aluminium-silicium. Ces avantages ne sont obtenus, cependant, qu'au prix d'une augmentation sensible du prix de revient des produits réalisés, augmentation liée d'une part à l'emploi d'un métal précieux et, d'autre part, à la complication du procédé de réalisation qui comporte une phase spécifique de décapage du platine. Ce métal, comme d'ailleurs d'autres métaux précieux -3- de sa catégorie qui pourraient éventuellement être employés à sa place, n'est en effet attaqué que par des décapants très agressifs - l'eau régale, par exemple.- auxquels au- cune laque de protection ne résiste; aussi, le platine en excès doit-il être éliminé avant de déposer d'autres cou- ches métalliques que l'on ne pourrait aisément protéger. En raison des difficultés que présente l'emploi du platine ou d'alliages de platine - notamment le platine/ nickel - ou encore d'autres métaux rares, de coût élevé, ou dont le travail s'accommode mal de la technologie complexe mise en oeuvre pour la fabrication des circuits intégrés, l'invention vise à une réutilisation de l'aluminium pour l'élaboration de diodes de type SCHOTTKY. L'invention a pour but la fabrication de diodes aluminium-silicium-de qualité améliorée, délivrées des défauts cités précédemment dont étaient affectées les diodes réalisés initialement. L'invention s'appuie sur l'idée simple que lesdits défauts étant liés au phénomène de dissolution du silicium par l'aluminium, il y a lieu de faire en sorte que cette dissolution soit la plus limitée possible. Selon l'invention, une diode telle que présentée dans le préambule est notamment remarquable en ce que ladite électrode présente, observée suivant son épaisseur, une mince couche inférieure en contact avec ledit substrat et une couche supérieure faites toutes deux, essentiellement sinon totalement, d'aluminium, s'parées par une couche in- termédiaire en au moins un métal de transition. La barrière au niveau de laquelle se manifeste l'ef- fet SCHOTTKY est située au contact entre la mince couche inférieure d'aluminium et le silicium. La mise en présence de ces deux matériaux suscite la naissance d'un. processus de dissolution du silicium par l'aluminium tel qu'il a été rappelé ci-dessus. Mais, dans le cas présent, la réaction est réduite dans le temps du fait que l'aluminium n'est dis- ponible qu'en quantité limitée. En effet, le seul aluminium qui participe à cette réaction est celui de la mince couche inférieure. La couche intermédiaire en un métal de transi- -4- tion, de façon connue, fait obstacle à toute migration ato- mique de l'aluminium de la couche supérieure vers le sili- cium sous-jacent et empêche donc que cet aluminium partici- pe à la réaction de dissolution. La couche mince d'aluminium est rapidement saturée en silicium, d'autant plus rapidement qu'elle est plus min- ce. Le processus de dissolution, en raison de la limitation de l'un des éléments,est réduit en importance et en durée. Les dégradations de la barrière sont très limitées. De fait, l'examen de la surface du silicium, après plusieurs centai- nes d'heures de fonctionnement, ne laisse apparaître que très peu de piqûres de très faible profondeur. Avantageusement, l'épaisseur de ladite mince couche inférieure est comprise entre 10 nm et 100 nm. La valeur choisie ou obtenue en fonction des fluctuations des condi- tions de fabrication n'est pas critique dans la mesure o cette valeur se situe à l'intérieur des limites ci-dessus. Quant à la couche supérieure, son épaisseur peut être quel- conque selon le besoin; pour les circuits intégrés, cette épaisseur est de l'ordre de 1 pm. La Demanderesse a constaté que des diodes de type SCHOTTKY construites selon l'invention présentent une remar- quable stabilité de leurs caractéristiques dans le temps. Aussi, peut-on utiliser à nouveau l'aluminium, de préférence à des métaux moins communs tels que le platiné, pour réali- ser des diodes de type SCHOTTKY. C'est là un avantage impor- tant, tant d'un point de vue technologique qu'économique, en particulier en ce qui concerne la fabrication des circuits intégrés. Du point de vue technologique, d'une part on évite d'avoir à procéder à un recuit (formation du siliciure de platine) aussitôt après avoir déposé l'aluminium; ce recuit, qui permet de former ou de consolider la barrière aluminium- silicium, a lieu en fin de fabrication à la faveur de la constitution de la couche de passivation. D'autre part, alors qu'il faut prévoir deux opérations de dépôt d'abord, de gra- vure ensuite dans le cas du platine (dépôt, puis gravure du -5 - platine après la formation du siliciure de platine, ensuite dépôt et gravure des autres métaux composant l'électrode), la couche composite aluminium-métal de transition (par exem- ple le tungstène, ou le titane, ou un alliage de ces deux éléments) aluminium, peut être déposée en une seule opéra- tion puis gravée ensuite en une seule opération. Du point de vue économique, le gain est évident tant par le prix des matériaux que par la simplification du pro- cessus opératoire. Il est à remarquer que le dépôt multicouche aluminium- métal de transition-aluminium convient aussi bien pour for- mer des barrières SCHOTTKY sur du silicium peu dopé que pour former des contacts obmiques sur du silicium très dopé. Ce dépôt multicouche convient parfaitement pour les circuits intégrés dans lesquels il permet d'améliorer tous les con- tacts à base d'aluminium. Le procédé de réalisation de diodes de type SCHOTTKY selon l'invention comporte, essentiellement et en résumé, les séquences opératoires suivantes - dépôt d'une mince couche d'aluminium sur toute l'aire de la face active d'un substrat de silicium convena- blement préparé et revêtu d'une couche isolante délimitant des emplacements o le silicium est à nu, - dépôt, sur l'aluminium, d'une couche, par exemple d'un alliage de tungstène et de titane, - dépôt, sur la couche précédente, d'une nouvelle couche d'aluminium, - gravure chimique du dépôt multicouche afin de loca- liser les diodes, - formation de la couche de passivation des diodes en même temps que recuit de stabilisation des contacts entre matériaux. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, permettra de bien comprendre comment est structurée une diode selon l'invention. La figure 1 est une vue en coupe, à grande échelle, montrant une telle diode. -6- La figure 2 est une vue en coupe d'un ensemble réu- nissant un transistor et une diode SCHOTTKY connectés selon un schéma connu, l'électrode d'anode de la diode et les contacts du transistor étant réalisés avec un dépôt multi- couche aluminium-métal de transition-aluminium,,tel qu'il est prévu dans l'invention. Il va de soi qu'étant donné les importantes diffé- rences d'épaisseurs entre les régions et couches des dis- positifs semiconducteurs concernés, il ne peut être possi- ble de respecter sur les dessins des rapports dimensionnels conformes à la réalité. La diode métal-semiconducteur représentée sur la figure 1 est réalisée sur un substrat de silicium 10, par exemple de type de conductivité N, peu dopé (de 1015 à 1017 at/cm3) qui forme une première électrode de cette diode, en l'occurrence la cathode. Sur le silicium, à travers une ou- verture 11 creusé dans une couche isolante 12, par exemple de dioxyde de silicium, on a constitué un dépôt métallique tricouche 13 qui forme la deuxième électrode de la diode, ici l'anode. Selon l'invention, cette diode est caractérisée en ce que "ladite (deuxième) électrode présente, observée suivant son épaisseur, une mince couche inférieure 131, en contact avec ledit substrat 10 et une couche supérieure 133 faites toutes deux, essentiellement sinon totalement, d'aluminium, séparées par une couche intermédiaire 132 en au moins un métal de transition". La barrière au niveau de laquelle se manifeste l'ef- fet SCHOTTKY est située en 14, au contact entre la mince couche 131 et le substrat 10. La couche 131 est faite d'aluminium pur ou bien enco- re d'un alliage à haut pourcentage d'aluminium (par exemple aluminium 98 % - cuivre 2 %); son épaisseur est sensible- ment de 50 nm. La couche 132 est faite, avantageusement, en un al- liage de tungstène 90 % et de titane 10 %. Ce choix n'est pas exclusif; on pourrait retenir des métaux et alliages -7- métalliques tels que, par exemple, le tungstène pur, le titane pur, le chrome et ses alliages. L'épaisseur de la couche 132 est choisie entre 20 et 100 nm. La couche 133, enfin, a la même composition que la couche 131. Son épaisseur est comprise entre 0,5 et 3)mn. Le procédé de réalisation de la diode décrite ci- dessus ne présente pas de difficulté particulière et res- sort des techniques connues utilisées dans la fabrication des dispositifs semiconducteurs. Les trois dépôts 131, 132 et 133 sont avantageusement obtenus par pulvérisation catho- dique à partir de deux cibles bombardées en succession sans remise à l'air du substrat. La gravure chimique de ces dé- p8ts est faite avec de l'acide phosphorique en ce qui con- cerne l'aluminium, et de l'eau oxygénée en ce qui concerne le tungstènetitane. Le recuit au cours duquel est déposée la couche de passivation par exemple en oxyde de silicium (non représentée sur les figures) et au cours duquel, simul- tanément, on stabilise les contacts entre matériaux, notam- ment le contact aluminium-silicium, est effectué à une tem- pérature voisine de 4300 C. On se reporte maintenant à la figure 2 sur laquelle les éléments apparaissant déjà sur la figure 1 sont repérés sous les mêmes références que sur cette figure 1. Sur une plaquette 1 de silicium de type P qui a reçu sur sa face supérieure un dépôt épitaxial 10 de type N fai- blement dopé, on a élaboré un circuit intégré. De ce circuit, apparaissent sur la figure 2 un transistor T et une diode D de type SCHOTTKY, cette dernière étant couplée par la catho- de au collecteur du transistor, et par son anode à la base dudit transistor. C'est une disposition bien connue en ma- tière de circuits intégrés logiques. On reconnaît la région de base 20 de type P et la région d'émetteur 21 de type N+; la région de collecteur est formée par la couche épitaxiale 10, une zone N+ 22 de prise de contact étant réservée pour la sortie collecteur. Des dépôts tricouche aluminium 131-tungstène/titane 132-aluminium 133, tels que les prévoit l'invention, forment -8- des contacts ohmiques sur les trois régions 20, 21, 10-22 du transistor à travers des ouvertures creusées dans la couche isolante 12. Celui 13 de ces dépôts, par sa partie qui repose sur la région P de base 20 du transistor, forme une liaison ohmique avec cette région 20; par son autre partie, qui repose sur la région N de collecteur 10, il forme, avec cette région 10, la diode SCHOTTKY. La barrière 14 métal-semiconducteur qui définit ladite diode a été mise en valeur, sur la figure 2, par un trait gras. Il est clair, au seul examen de la figure 2, que tous les contacts ohmiques du transistor T, ou redresseur de la diode D, peuvent être réalisés simultanément, tant en ce qui concerne l'élaboration des dépôts métalliques que pour le décapage de ces dépôts. - REVENDICATIONS - 1. Diode de type SCHOTTKY dont la barrière (14) est située à l'interface d'une électrode métallique multicouche (13) faite, en majeure partie au moins, d'aluminium, et d'un substrat semiconducteur (10) fait de silicium, carac- térisée en ce que ladite électrode présente, observée sui- vant son épaisseur, une mince couche inférieure (131) en contact avec ledit substrat et une couche supérieure (133) faites toutes deux, essentiellement sinon totalement, d'alu- minium, séparées par une couche intermédiaire (132) en au moins un métal de transition. 2. Diode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite couche inférieure est faite d'aluminium pur. 3. Diode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite couche inférieure est faite en un alliage d'aluminium (98 %) et de cuivre (2 %). 4. Diode selon l'une des revendications 1 à 3, carac- térisée en ce que ladite couche supérieure est de composi- tion chimique identique à celle de ladite couche inférieure. 5. Diode selon l'une des revendications 1 à 4, carac- térisée en ce que ladite couche intermédiaire est faite en un alliage de tungstène et de titane. 6. Diode selon l'une des revendications 1 A,5, carac- térisée en ce que ladite couche inférieure a une épaisseur comprise entre 10 et 100 nm, et en ce que ladite couche in- termédiaire a une épaisseur comprise entre 20 et 100 nm. 7. Procédé de réalisation d'une diode de type SCHOTTKY selon la revendication 1 suivant lequel on procède, sur un substrat de silicium, d'abord aux dépôts successifs de ladi- te couche mince, de ladite couche intermédiaire et de ladite couche supérieure, puis au décapage partiel de ces couches afin d'y dégager ladite électrode multicouche, caractérisé en ce que l'ensemble réalisé est soumis à un unique recuit final à une température de l'ordre de 4300 C. -10- 8. Dispositif semiconducteur comportant un transis- tor et une diode de type SCHOTTKY placée en parallèle sur le circuit basecollecteur dudit transistor, caractérisé en ce que ladite diode est structurée en conformité de l'une des revendications 1 à 6.