Brevet FR2517884A1 — publié le 19830610

DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR A FAIBLE CAPACITE PARASITE MUNI DE CONNEXIONS EXTERNES PRISES AU MOYEN DE POUTRES ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL DISPOSITIF. La présente invention concerne un dispositif semiconducteur à faible capacité parasite, du type de ceux dônt les connexions externes sont prises au moyen de poutres métalliques soudées à plat sur la pastille semiconduc- trice mais elle s'applique aussi à la technologie dite "flip chip" de report à l'envers d'un composant, les poutres étant dans ce cas réduites à des plots métalliques Ces deux technologies sont bien connues sous leurs vocables anglais de "beam-lead" et "flip-chip", respectivement. Elle concerne plus particulièrement les dispositifs semiconducteurs travaillant à des fréquences égales ou supérieures à 1 G Hz, pour lesquelles les capacités parasites entre au moins l'une des poutres et le substrat sont très fortement diminuées selon l'invention. Sans que cela constitue une limite à l'invention, celle-ci sera exposée en s'appuyant sur le cas d'une diode, la diode étant à la base de tout composant semiconducteur plus complexe, tel que le transistor par exemple. Toute diode, qu'elle soit à jonction, de type pn, ou Schottky, à métal semiconducteur, comporte un substrat qui supporte la ou les couches actives de la diode, de faible épaisseur par rapport à celle du substrat Celui-ci est lui-même constitué d'un matériau semiconducteur, qu'on a choisi dopé, de type n+ par exemple -sans que ceci soit limitatif-car ceci facilite l'élabora- tion de la diode, le substrat apportant d'une part le support mécanique et d'autre part au moins une couche active de la diode. Etant donné par ailleurs que les connexions extérieures sont, comme cela a été précisé, des poutres métalliques fixées à plat sur la surface de la pastille et qu'au moins une poutre est soutenue par une couche d'isolant, hors de la région de contact, de façon à ne pas court-circuiter le contact avec la couche active sous-jacente à la -poutre, il se forme des condensateurs parasites ayant une poutre comme première armature, le substrat conduc- teur comme deuxième armature et la couche isolante comme diélectrique. Un perfectionnement déjà connu consiste à creuser un caisson dans le matériau semiconducteur -par tout procédé connu de l'homme de l'art sous une partie de la poutre considérée et à remplacer le matériau semicon- ducteur manquant dans ce caisson par un matériau isolant, du verre par exemple L'épaisseur de diélectrique du condensateur parasite est ainsi augmentée ce qui va dans le sens de la diminution de capacité Par contre, la surface d'armature constituée non plus par une surface de substrat sensiblement égale à la surface de la poutre, mais constituée désormais par la partie concernée du substrat conducteur dans la cuvette creusée, est légèrement augmentée, ce qui va dans le sens contraire d'augmentation de la capacité parasite, néanmoins le bilan demeure très favorable. Selon linvention, la partie active d'un dispositif semiconducteur, doté de connexions externes par poutres métalliques, est entourée par un profond sillon -qui n'est donc plus comme dans l'art antérieur limité au voisinage d'une poutre ce sillon étant ensuite rempli d'un matériau isolant doté de bonnes qualités mécaniques tel que le verre, puis le dispositif semicon- ducteur est débarassé de la majeure partie de son substrat, dont ne demeure qu'une faible épaisseur, de l'ordre de 1 à 3 fois l'épaisseur d'effet de peau à la fréquence de travail du semiconducteur Ainsi, le dispositif semiconduc- teur se présente-t-il sous une forme suspendue par ses poutres de connexions extérieures, en pont par rapport à un anneau externe de verre qui remplace le support mécanique que constitue le substrat dans l'art connu Avec la suppression du substrat, dans sa majeure partie, est supprimée l'une des armatures d'un condensateur parasite. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif semiconduc- teur à faible capacité parasite, muni de connexions externes prises au moyen de poutres métalliques fixées à plat sur la pastille semiconductrice compor- tant au moins une couche superficielle supportée par un substrat, caracté- risé en ce que le support mécanique de ce dispositif est un cadre d'un matériau électriquement isolant et rigide, qui entoure complètement la pastille semiconductrice, et sur lequel s'appuient les poutres de connexions extérieures, et en ce que, à l'intérieur de ce cadre, le substrat est partiellement éliminé, et a, sous au moins une couche superficielle formant jonction, une épaisseur réduite comprise entre une et environ trois fois Peffet de peau dudit dispositif, à la fréquence de travail de ce dispositif. L'invention sera mieux comprise par la description qui suit d'exemples de réalisation, lesquels s'appuient sur les figures annexées qui représentent: figure 1: une vue en coupe d'une diode Schottky selon l'art connu; figure 2: une étape intermédiaire de la fabrication d'une diode Schottky selon l'invention; figure 3: une diode Schottky selon l'invention; figure 4: variante possible d'une diode Schottky précédente; figure 5: un premier type de diode à jonction selon l'invention; figure 6: un second type de diode à jonction selon l'invention. Dans le but de simplifier le texte, ainsi que les figures, l'invention sera I O exposée en s'appuyant sur le cas d'une diode Parmi les différents dispositifs semiconducteurs qui relèvent de l'invention, elle s'applique plus particulière- ment aux diodes, à jonction ou Schottky, dont, le substrat est généralement en silicium ou en matériau de la famille III-V, Ga As par exemple, et est particulièrement intéressante dans le domaine millimétrique, pour lequel la valeur très faible de la capacité de jonction exige une réduction maximale de la capacité parasite entre poutres. La figure 1 représente la vue en coupe d'une diode Schottky selon l'art connu Le substrat 1 de cette diode est un matériau semiconducteur dopé de type n+ par exemple et sur lequel a été épitaxiée une couche 2 de type n La reprise de contact sur la zone n+ se fait soit par élimination localisée de la couche N ou par diffusion ou implantation d'un caisson n+ rejoignant le substrat n+ Un premier contact ohmique, le contact de cathode 3 est assuré par une poutre métallique réalisée selon la chaîne Si Pt -Ti Pt Or, si le matériau de base de la diode est du silicium Le fait que sous la poutre 3 le matériau soit de type n+ est nécessaire pour pouvoir réaliser le contact ohmique. Le second contact, ou contact d'anode 4, est réalisé de préférence au moyen de la même chaîne Ti-Pt-Or, mais une épaisseur de métal 5 assurant le contact Schottky qui est soit le titane, soit par exemple chrome, molybdène suivant le seuil direct désiré, est intercalée entre la poutre 4 et la région N 2. De façon à éviter que la poutre d'anode 4 ne soit en contact avec la région N 2 en dehors du contact Schottky 5, la poutre d'anode est mécanique- ment supportée et électriquement isolée par une couche d'un isolant 6, qui est par exemple de l'oxyde de silicium. Du fait que les contacts externes sont dans le cas présent pris par des poutres métalliques fixées à plat sur la surface supérieure du dispositif semiconducteur, il se forme un système de condensateurs parasites entre d'une part, l'électrode d'anode 4, qui est un ruban métallique, et d'autre part, la couche N 2 et le substrat n+ 1, la couche 6 d'isolant étant le diélectrique commun des différents condensateurs parasites. Ces différents condensateurs parasites ont une capacité relativement très importante et gênante aux fréquences de travail, c'est-à-dire largement supérieures à 1 G Hz, du fait de l'épaisseur très faible de la couche de diélectrique 6, et du fait de la relativement grande surface des poutres métalliques, surface nécessaire pour avoir une bonne solidité mécanique de l'ensemble, avoir une bonne maniabilité du dispositif semiconducteur fabri- qué, et assurer une inductance série faible en hyperfréquence - La surface des armatures de ces condensateurs est assez précisément définie par la surface de la poutre 4, mais relativement mal définie du c 8 té de la seconde armature par les surfaces des couches n+ 1 et N 2, qui participent à la seconde armature de ces condensateurs parasites. Selon l'invention, les condensateurs parasites entre une poutre et le substrat sont annulés par suppression presque totale du substrat, ou tout au moins fortement diminués si une mince couche du substrat doit être maintenue, cette couche participant au fonctionnement de la diode Ainsi, dans son fondement, l'invention élimine le matériau sous au moins une poutre, et tend vers un condensateur à air, de valeur ú 1 fois plus faible qu'en laissant le matériau de constante diélectrique relative par rapport à l'air ú 1, soit environ 12 pour le silicium Le substrat étant supprimé, les poutres sont maintenues par un cadre, en verre de préférence. La figure 2 représente une étape de fabrication d'un dispositif semi- conducteur selon l'invention: ce dispositif est une diode Schottky, mais ne présente aucun caractère limitatif à l'invention La fabrication suppose un procédé de réalisation collective, ce qui est normal pour ce type de dispositifs. Sur une plaquette de substrat 1, de type n+ par exemple, est réalisée par épitaxie une zone N 2 puis un caisson n+ par implantation ou diffusion pour reprise de contact sur le substrat Une couche isolante 6 est obtenue en surface de la plaquette, soit par oxydation si le matériau est du silicium, soit par dépôt dans les autres cas Ensuite, cette couche isolante est attaquée de façon à ne laisser subsister qu'un masque isolant sur la région 2, ce masque comportant en son centre une aire d'accès au caisson 2, pour une future prise de contact Schottky. A ce point de la réalisation, un sillon 8, profond et annulaire, entourant la diode, est obtenu par attaque du substrat A titre purement indicatif, pour une diode fonctionnant en hyperfréquences, le sillon 8 a une profondeur comprise entre 20 et 50 microns, à comparer avec l'épaisseur du caisson 2 qui est de l'ordre de 0,4 micron Le sillon 8 est comblé avec un matériau isolant, de préférence un verre fondu, dont le coefficient de dilatation est bien adapté à celui du substrat 1: c'est ce sillon rempli de matériau rigide qui formera le cadre support du dispositif semiconducteur. La largeur du sillon 8 est de l'ordre de 200 microns par exemple. Il est intéressant, avant de combler le sillon 8 avec du verre, de recouvrir sa paroi d'une couche diélectrique 9, inerte aux réactifs d'attaque chimique Cette couche 9 peut être, par exemple, du nitrure de silicium Si 3 N 4 Sa fonction sera exposée ultérieurement. La suite de la fabrication d'un dispositif selon l'invention est repré- sentée en figure 3. Sur la plaquette, en l'état de la figure 2, sont déposées d'abord une première métallisation 5 pour assurer un contact Schottky sur le caisson N 2, ensuite une seconde métallisation au cours de laquelle on fait croître une première poutre 3 qui assure le contact cathodique, ohmique, avec le caisson n+, et une seconde poutre 4 qui assure le contact anodique, Schottky, avec le caisson n Les techniques de dépôt et gravure des métallisations sont connues de l'homme de l'art. La plaquette est alors retournée, et la majeure partie du substrat 1 est attaquée par sa face arrière par voie chimique, en phase liquide ou plasma, de façon à n'en laisser subsister qu'une très faible épaisseur, sous le caisson n 2 La faible épaisseur de substrat conservée a pour fonction de faciliter le passage du courant dans la diode; si elle n'existait pas, la diode serait trop résistante. Il est évident que, au lieu d'être mise à plat et attaquée par sa face arrière située dans un plan horizontal, la plaquette peut également être masquée par une résine sur sa face active, comportant les poutres, et introduite dans le liquide réactif à la verticale. Au cours de cette attaque, le caisson 8 est mis à nu, de sorte que, tandis qu'au début de l'opération on avait un caisson de verre 8 dans le substrat 1, à la fin de l'opération on a ce qui reste du substrat 1 dans un anneau de verre 8 C'est pour éviter l'attaque de l'anneau de verre 8 par le réactif de suppression de substrat 1 qu'il est préférable de disposer une couche 9, insensible à l'attaque chimique. Sur la figure 3, il y a encore, sous la poutre d'anode 4, une légère épaisseur de substrat ne 1 Celui-ci ne communique avec le verre de l'anneau 8 et la poutre d'anode 4, qu'une très faible capacité parasite au dispositif semiconducteur réalisé selon l'invention Bien plus faible que la capacité parasite qui existe, dans un dispositif selon l'art connu, représenté en figure 1 Selon l'invention, la capacité parasite, représentée symboliquement en figure 3, a pour armature la surface latérale de la couche restante de substrat, correspondant à son épaisseur, qui est de beaucoup plus faible que la surface de jonction nen de la figure 1 sous la poutre 4. La figure 4 représente une variante souvent préférable de réalisation de la diode Schottky précédente. Il est possible de diminuer encore le condensateur parasite résiduel, décrit en figure 3, en éliminant totalement sous la poutre d'anode 4 le matériau qui constitue l'une des armatures de ce condensateur parasite. Celui-ci demeure néanmoins, et est symbolisé sur la figure 4, mais sa valeur est encore abaissée, puisqu'à un matériau de constante diélectrique de l'ordre de 12 est substitué l'air de constante diélectrique égale à 1. Ce résultat est obtenu en poursuivant localement l'attaque du substrat e l et du caisson N 2, sur un dispositif selon la figure 3, jusqu'à atteindre la couche d'isolant 6: il n'y a alors, dans cette région 10, plus aucun contact entre les matériaux constitutifs de la diode et l'anneau de verre qui l'entoure. Cette attaque localisée est obtenue en masquant, sur une diode telle qu'en figure 3, la face arrière de ce qui reste du substrat 1, sauf à proximité de la poutre d'anode 4: l'attaque ne portera plus que sur cette région 10 laissée à découvert Il peut être d'ailleurs, vu les très petites dimensions de ces dispositifs, plus facile de ne masquer que la partie centrale du substrat 1: à l'issue de la seconde attaque, il y a donc un sillon tout autour de la diode, ce sillon d'air apparaissant en 10 sous la poutre d'anode 4 et en 11 sous la poutre de cathode 3. La figure 5 représente un premier exemple d'application de l'invention à une diode de type PIN, dans une structure dite de surface ou horizontale. Pour obtenir une telle diode, seules les premières opérations de fabrications sont différentes de celles décrites au sujet de la figure 3. Le substrat 12 de départ est un matériau de haute résistivité, dans lequel sont réalisés, par des techniques connues, un caisson n+ 13 et un caisson p+ 14 Puis un sillon 8 est creusé dans le substrat, et comblé par du verre, et les métallisations de poutres 3 et 4 déposées, la poutre de cathode 3 étant en contact avec le caisson n+ 13 et la poutre 4 d'anode en contact avec le caisson p+ 14. Le substrat 12 est alors partiellement éliminé par attaque chimique. Dans la version représentée en figure 5, une seconde attaque chimique a totalement isolé la diode PIN de l'anneau de verre qui l'entoure, par un sillon d'air 10-11. Les jonctions en surface de la pastille sont protégées par une passiva- tion 15. La figure 6 représente une seconde application de l'invention à une diode PIN, dans une structure verticale. Pour réaliser une telle diode, le substrat de départ 16 est de type n+ une couche de haute résistivité 17 puis une couche de type p+ 18 sont déposées sur ce substrat 16, puis délimitées à la zone de contact d'anode 3. La suite des opérations de fabrication d'une telle diode verticale est absolument comparable à celle qui a été précédemment décrite. A l'issue de la fabrication, les jonctions, qui apparaissent sur les bords de l'empilement PIN, sont protégées par une passivation 15, celle- ci pouvant être faite au départ si on le désire. Entre dans le domaine de l'invention, le cas oo les poutres sont réduites à leur seule partie fixée sur la pastille du semiconducteur, la partie 25178-84 en porte à faux, extérieure à la pastille, étant supprimée Il s'agit alors de plots métalliques, utilisés en particulier pourle procédé de soudure à l'envers d'un dispositif semiconducteur sur un socle, appelé en anglais "flipchip". Bien que l'invention ait été décrite en s'appuyant sur le cas de diodes, il est évident que son application à des dispositifs plus complexes tels que transistors latéraux dotés de trois connexions externes sous forme de poutres fixées à plat sur la pastille, ainsi que l'adaptation à des matériaux de genre ou de conductivité différente entre dans le domaine de l'invention, qui est précisée par les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 Dispositif semiconducteur à faible capacité parasite, muni de connexions externes prises au moyen de poutres ou plots métalliques ( 3, 4) fixées à plat sur la pastille semiconductrice ( 1, 2), comportant au moins une couche superficielle ( 2) supportée par un substrat ( 1), caractérisé en ce que le support mécanique de ce dispositif est un cadre ( 8) d'un matériau électriquement isolant et rigide, qui entoure complètement la pastille semiconductrice, et sur lequel s'appuient les poutres ( 3, 4) de connexions extérieures, et en ce que, à l'intérieur de ce cadre ( 8), le substrat ( 1) est partiellement éliminé, et a, sous au moins une couche superficielle ( 2) formant jonction, une épaisseur réduite comprise entre une et environ trois fois l'effet de peau dudit dispositif, à la fréquence de travail de ce dispositif. 2 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau constitutif du cadre ( 8), qui entoure la pastille semicon- ductrice, est un verre, dont le coefficient de dilatation est adapté à celui du matériau constitutif de la pastille semiconductrice ( 1 + 2). 3 Dispositif semiconducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cadre de verre ( 8) est recouvert par une couche ( 9) d'un matériau résistant à l'attaque chimique, tel que le nitrure de silicium Si 3 N 4. 4 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en vue de diminuer le condensateur parasite formé entre une poutre ( 4) le cadre isolant ( 8) et l'épaisseur résiduelle de substrat ( 1), la pastille semiconductrice ( 1 + 2) est isolée du cadre isolant ( 8) par un sillon d'air ( 10), au moins dans la région proche d'une poutre ( 4). 5 Procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur selon la revendication 1,caractérisé en ce qu'il comporte la suite des opérations suivantes: sur une plaquette de substrat ( 1), réalisation d'au moins une couche active ( 2); creusement, par la face antérieure du substrat ( 1), d'un sillon ( 8) délimitant la pastille du dispositif semiconducteur, et entourant au moins la couche active ( 2); dépôt sur la paroi de ce sillon ( 8) d'une couche ( 9) d'un matériau résistant à l'attaque chimique, tel que Si 3 N 4; remplissage du sillon ( 8) par un matériau isolant et rigide, tel que le verre, afin de former le cadre support de la pastille semiconductrice; dépôt d'au moins deux connexions externes, par métallisation et gravure d'au moins deux poutres ( 3, 4), celles-ci s'appuyant extérieurement sur le matériau isolant du sillon ( 8) comblé et établissant au moins deux contacts, sur la pastille semiconductrice; attaque par voie chimique, en phase liquide ou plasma, du substrat Io ( 1) , par sa face postérieure, cette attaque mettant à nu le cadre rigide formé par le sillon rempli de matériau isolant, et étant interrompue lorsque le substrat ( 1) est réduit, sous la région active ( 2) à une épaisseur comprise entre une et environ trois fois l'épaisseur de peau à la fréquence de travail du dispositif semiconducteur; passivation par un oxyde ( 15) des jonctions apparentes sur la surface externe de la pastille semiconductrice. 6 Procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est complété, après la première attaque chimique du substrat ( 1), par un masquage de sa face postérieure, ce masquage laissant à nu au moins une zone proche d'une poutre ( 4), puis par une seconde attaque chimique, qui creuse un second sillon ( 10) sur toute l'épaisseur de la pastille, laquelle n'a plus de contact avec le cadre de verre ( 8) dans la zone du second sillon ( 10).