Brevet FR2526584A1 — publié le 19831110

PROCEDE DE REALISATION D'UNE STRUCTURE METALLIQUE DE FORME COMPLEXE, ET STRUCTURE METALLIQUE OBTENUE PAR CE PROCEDE La présente invention concerne un procédé de réalisation de structures métalliques spatiales, à l'échelle des pastilles de semiconducteurs ou de circuits intégrés, destinées aux réalisations de semiconducteurs ou de circuits intégrés. Elle concerne également les structures métalliques obte nues par ce procédé. Par structures spatiales, il faut entendre des structures métalliques à trois dimensions, autres que les couches métalliques obtenues par les procédés classiques, et qui, à quelques détails de masquage près, sont assimilables à des parallélépipèdes, dont les faces latérales sont planes. Une structure spatiale a, au contraire, dans un plan perpendiculaire au plan du substrat sur lequel elle est réalisée, un profil déterminé. Le procédé selon l'invention permet de réaliser des métallisations dont la forme, vue en élévation par rapport au substrat, est par exemple celle d'un T ou d'un V, ou suspendue, sans support isolant entre elle et le substrat, par exemple pour réaliser un croisement entre conducteurs, sans que ces formes en T ou suspendues ne limitent en quoi que ce soit l'invention. Cependant, afin d'être plus précis, l'invention sera exposée en s'ap puyant sur ces deux cas d'applications : une couche métallique en forme de T pour transistor hyperfréquence, et une inductance intégrée sur un substrat, en tenant compte du fait qu'il s'agit de microstructures intégrées, ce qui, dans le cas des hyperfréquences, amène à des dimensions aussi petites que 0,3 micron de largeur, et quelques microns, jusque 300 microns, de longueur, sur 0,6 à 3 ou 5 microns d'épaisseur. Pour obtenir une structure métallique spatiale ayant, dans le sens de son épaisseur, une forme prédéterminée, on utilise une résine de masquage sensible à un rayonnement corpusculaire tel qu'un rayonnement d'électrons, ou d'ions, ou de photons dans l'ultraviolet, l'unique couche de résine déposée sur qun substrat étant d'épaisseur au moins égale à celle de la structure à réaliser. Cette résine subit une série d'expositions au rayonnement, l'in tensité ou la dose intégrée de rayonnement croissant depuis la première exposition jusqu'à la dernière exposition afin d'impressionner la résine de plus en plus profondément dans son épaisseur. De plus, l'aire balayée par le faisceau à chaque exposition est bien définie de façon à impressionner une épaisseur de la couche de résine correspondant à la géométrie recherchée pour la structure métallique à réaliser.Après exposition, la résine dégradée par le rayonnement est dissoute jusqu'au substrat et son empreinte est remplie de métal par une technique connue de métallisation. De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de réalisation d'une structure métallique de forme complexe selon le sens de son épaisseur, sur un substrat de circuit en microélectronique, caractérisé en ce qu'il comprend la suite des opérations suivantes: - dépôt sur le substrat d'une couche de résine de type positif, sensible à un rayonnement corpusculaire, sur une épaisseur (e2) au moins égale à la hauteur de la structure, - irradiation d'au moins deux régions de la résine (2) au moyen d'une pluralité d'expositions successives au rayonnement corpusculaire, d'intensité croissante depuis la première exposition qui irradie une région superficielle, d'épaisseur (el) inférieure à l'épaisseur (e2) de la couche de résine, jusqu'à la dernière exposition qui irradie une région profonde, d'épaisseur (e2) égale à l'épaisseur de la couche de résine, les régions irradiées étant toutes en contact réciproque, - élimination de la résine irradiée, les régions exposées laissant à leur place des caissons formant l'empreinte de la structure complexe, - remplissage de l'empreinte par un dépôt métallique, - élimination de la résine non irradiée et de l'excès de métal déposé au-delà du bord de l'empreinte. L'invention sera mieux comprise par l'exposé de deux applications possibles, lequel s'appuie sur les figures jointes en annexe et qui représentent: - figure 1 : vue en coupe d'une structure métallique de très petite. dimension, selon l'art connu, - figure 2 : vue en coupe d'une structure métallique spatiale, réalisée selon les procédés connus, - figures 3 à 5 : réalisation d'une structure métallique en T selon l'invention, - figures 6 à 11 procédé de réalisation selon l'invention, - figures 12 à 15 : réalisation d'une structure métallique en pont selon l'invention, - figure 16 inductance intégrée, munie d'une connexion en pont selon l'invention. Dans la technologie des circuits intégrés et des semiconducteurs, notamment en hyperfréquences, il est parfois nécessaire de réaliser des couches métalliques non simples. De telles couches sont nécessaires par exemple pour faire des grilles de section en T, vu en élévation, dans des transistors à effet de champ, cette section étant préférable car la grille du transistor est de faible dimension à la base de la métallisation en T, et cependant un élargissement de la métallisation permet d'abaisser autant que possible la résistance de métallisation. Des structures non simples sont également utiles pour réaliser des "ponts d'air", c'est-à-dire des métallisations qui ne sont pas uniformément en contact avec le substrat qui les porte, sans diélectrique pour application aux connections intérieures des inductances. La figure 1 représente une vue en coupe d'une structure métallique en T, de très petites dimensions, fabriquée selon l'un des procédés connus. Cette figure permettra d'exposer une première difficulté des procédés actuellement connus, lorsqu'il s'agit de réaliser, à titre d'exemple non limitatif une grille en T de 0,3 micron de largeur à la base. Sur un substrat 1, qui constitue dans le cas présent la région de grille d'un transistor, est déposée une couche de résine 2 dans laquelle a été gravée une empreinte à métalliser pour former la grille. Au cours de l'opération d'évaporation ou de pulvérisation du métal, il se forme une première région métallique 3 dans le fond de l'empreinte de résine, ainsi que deux régions 4 et 5 supportées par les bords de la couche de résine 2. Mais il se forme également des bourrelets métalliques 6 et 7 qui croissent au bord de l'empreinte dans la résine 2, et ces bourrelets métalliques finissent par boucher l'orifice de l'empreinte, ce qui laisse des irrégularités 8 entre les dépôts 3 6 et 7, ces irrégularités 8 étant soit des mauvais contacts métal métal, soit des vides.Une telle grille métallique en forme de T n'est pas mécaniquement solide et présente une résistance électrique élevée et donc défectueuse. La figure 2 représente une vue en coupe d'une structure métallique spatiale comparable à celle de la figure 1, réalisée selon les procédés connus. Pour réaliser une telle structure sans avoir les défauts 8 signalés à l'occasion de la première figure, il existe plusieurs procédés. Un procédé consiste à déposer une métallisation dont la largeur a sa base est égale à la largeur de la partie 11 du somtnet, puis à l'attaquer chimiquement à sa base, mais cette méthode est très difficile à contrôler. Selon un autre procédé, deux couches de résine 2 et 9 sont déposées, et deux empreintes différentes sont faites dans ces deux couches de résine, soit parce que les résines sont différentes et ne répondent pas de la même façon à un rayonnement d'insolation, soit parce qu'une mince couche de métal 12 a été déposée à l'interface des deux couches de résine 2 et 9, cette couche de métal 12 permettant néanmoins aux électrons de passer pour impressionner la partie de la résine 2 qui correspond au pied 10 de la structure métallique. Dans tous les cas cités, la méthode est relativement complexe et difficile à contrôler puisqu'elle nécessite plusieurs dépôts de résine, plusieurs masquages et parfois plusieurs opérations de métallisation. Les figures 3 à 5 présentent les grandes étapes, schématisées, de la réalisation d'une structure métallique en T selon l'invention. Dans la première étape, en figure 3, sur un substrat 1 est déposée une couche 2 de résine positive sensible au rayonnement des électrons ou des ions. L'épaisseur e2 de cette couche de résine 2 est au moins égale à la hauteur ou à l'épaisseur de la structure métallique à réaliser. Dans un premier temps a lieu une première exposition de la partie supérieure de la résine sur une épaisseur e1 correspondant à la partie supérieure de la structure à réaliser. Cette exposition peut se faire soit par un balayage unique, soit par une pluralité de balayages qui donne des caissons 13 et 14 séparés entre eux. Dans un second temps, une seconde exposition sous une dose plus élevée que la première exposition permet d'exposer une seconde partie de la résine, sur l'épaisseur totale e2 de la couche de résine. La première exposition définit la partie supérieure de la structure métallique, celle qui a une épaisseur el, tandis que la seconde exposition définit la partie inférieure de la structure métallique, celle qui sera en contact avec la substrat 1. En raison de l'utilisation d'électrons ou d'ions avec les résines, il n'est pas nécessaire que les caissons 13 et 14 soient en contact avec le caisson 15 de la seconde opération, car il y a diffusion des électrons dans la résine, ce qui fait qu'au cours de la dissolution de la résine, l'empreinte sera une empreinte unique en forme de T, dont le profil sera légèrement adouci en raison de la diffusion des électrons. La seconde étape de réalisation selon l'invention est représentée en figure 4. Après exposition de la résine 2, les parties qui sur la figure 3 représentaient les caissons 13 14 et 15 sont dissoutes par des procédés connus, et il reste une empreinte d'une forme déterminée. Cette empreinte est alors remplie de métal par un procédé connu. Au cours du dépôt de métal, celui remplit non seulement l'empreinte creusée dans la résine, mais il se dépose également sur la surface libre de la couche de résine 2, et en particulier il va au-delà des bords 16 de l'empreinte gravée dans la résine. La figure 5 représente la structrue obtenue selon le procédé de l'invention après que la structure qui faisait l'objet de la figure 4 ait été débarrassée par dissolution de la couche de résine 2. Au cours de cette opération de dissolution de la résine, la mince pellicule de métal qui allait auaelà des bords 16 de l'empreinte est détachée, par une technologie connue, de telle sorte qu'il ne reste plus qu'une structure en T telle que désirée. Du fait que cette structure a une partie supérieure beaucoup plus large et plus ouverte que sa partie inférieure 15, il n'y a pas eu de bouchage de l'orifice au cours de la métallisation, comme cela avait été exposé à l'occasion de la figure 1. Ainsi la métallisation a une structure spatiale en ce sens qu'elle comprend au moins une partie inférieure 17 qui n'a pas le même dessin ou les mêmes dimensions que la partie supérieure 18. Dans le cas choisi pour exposer l'invention, c'est-à-dire une grille de transistor à effet de champ, les dimensions de la partie inférieure sont imposées par les dimensions des régions diffusées ou épitaxées du transistor hyperfréquence, cependant les dimensions de la partie supérieure 18 sont préférables de façon à diminuer la résistance de la métallisation de grille. Toutes autres formes de structures métalliques, nécessitant un nombre différent d'expositions de la résine appartiendraient au domaine de l'invention qui a été exposée en s'appuyant sur un cas précis. Les figures 6 à 11 exposent plus en détails le procédé de réalisation d'une structure métallique selon l'invention. La première étape du procédé, en figure 6, consiste à déposer une couche de résine 2 sur un substrat 1. Le substrat, comme cela a déjà été dit, est en fait une plaque d'un matériau qui peut être soit un matériau isolant ou diélectrique s'il s'agit de réaliser des composants passifs, ou une plaque d'un matériau semiconducteur comportant déjà des régions diffusées ou implantées grâce auxquelles sont déjà réalisés des composants actifs. La couche de résine 2 est au moins aussi épaisse que l'épaisseur ou la hauteur de la structure métallique à réaliser. C'est une résine positive de type polymé- tacrylate de méthyle. La seconde étape, en figure 7 consiste à soumettre cette résine à une première exposition, par exemple par le balayage d'un faisceau d'électrons. La zone 19 ainsi balayée correspond au dessin de la partie supérieure de la structure métallique à réaliser, et l'énergie du faisceau est telle que la résine est impressionnée sur une épaisseur correspondant à l'épaisseur de cette dite partie supérieure de structure métallique. A titre d'exemple un faisceau d'électrons, sous 20 k-électrons-volts, a une intensité de 1,6 n A pour impressionner cette partie supérieure s'il s'agit d'une grille de transistors à effet de champ. D'autres expositions peuvent avoir lieu ensuite si par exemple la structure métallique est en forme de V ou a un profil en forme d'escalier. Sur la figure 7, cette première exposition a été représentée sous la forme d'un unique caisson 19 mais, comme cela a été exposé à l'occasion de la figure 3, la première exposition peut également avoir lieu sous forme d'une pluralité de caissons tels que 13 et 14, ces caissons étant ultérieurement réunis entre eux par suite des effets de la diffraction des électrons, ou des ions, selon le cas. Sur la figure 8 est représentée la troisième étape du procédé qui consiste à soumettre la résine 2 à une seconde exposition, de façon à y impressionner un caisson 20 plus profond que le caisson 19 précédent. A titre d'exemple, et pour comparer avec la valeur de 1,6 nA qui a été citée pour la première exposition, la seconde exposition nécessite une intensité de 10 nA. De façon générale, la dose moyenne à laquelle est soumise la résine est de 5.10'5Cb/cm2. La seconde exposition, ou de façon plus générale, la dernière parmi la série d'expositions auxquelles est soumise la résine 2 a une profondeur égale à l'épaisseur de la résine de façon à atteindre le substrat 1 qui supportera la future structure métallique. Les deux expositions auxquelles a été soumise la résine 2 déterminent bien, comme cela est représenté en figure 8, les caissons 13, 14 et 15 tels que représentés également sur la figure 3. La figure 9 représente l'empreinte obtenue après dissolution des parties exposées de la résine. Etant donné que la résine a été exposée deux fois, dont la seconde fois avec une intensité ou une durée plus élevée, l'empreinte obtenue a bien la forme d'un T, composée de deux empreintes des caissons 13 et 14 et d'une empreinte du caisson 15. La figure 10 représente l'étape suivante au cours de laquelle une métallisation 21 est déposée dans l'empreinte telle que dégagée en figure 9 et, par la force des choses, également à la surface de la résine 2. Les empreintes 13 et 14 remplies par le métal deviennent donc la partie 18 de la structure de la figure 5 et l'empreinte 15, remplie par le métal devient le pied 17 de cette même structure de la figure 5. Au cours d'une opération suivante, qui n'est pas représentée parmi ces figures, et qui consiste à dissoudre la résine 2, la mince pellicule de métal 21 qui s'étend audelà des bords 16 de l'empreinte de résine sera brisée et arrachée. La figure 11 représente donc la structure métallique spatiale obtenue à l'issue de ces opérations. L'ensemble des figures 6 à 11 a été relativement schématisé, en ne faisant pas intervenir les modifications de profil dûes à la diffraction des électrons, cette diffraction donnant un pied 17 légèrement évasé et des angles arrondis, tant au cours de l'impression des caissons qu'au cours de la dissolution de la résine. Les figures 12 à 15 représentent les différentes étapes de réalisation d'une structure métallique spatiale, en pont, selon l'invention. En vue de simplifier les explications, les mêmes indices de repères ont été conservés que ceux qui concernent les étapes de réalisation d'une structure en forme de T dans les figures précédentes. Ainsi, en figure 12, sur un substrat 1 a été déposée un couche de résine 2, et cette résine a été soumise à au moins deux expositions successives, la première pour impressionner une région superficielle 22 de la résine 2, et la seconde pour impressionner deux -régions profondes 23 et 24 de la résine. La figure 13 montre l'empreinte obtenue après dissolution de la résine impressionnée en 22, 23 et 24; En figure 14, on voit la structure métallique 25 obtenue après remplissage de l'empreinte de la figure 13 par un métal. Cette structure 25 ne repose pas par toute sa surface sur le substrat 1, ce qui permet par exemple d'effectuer des croisements de connexion à la surface d'une pastille de circuits intégrés. L'absence de diélectrique est dans certain cas préférable par exemple lorsqu'il s'agit d'hyperfréquence. A titre explicatif, et sans que cela ne limite la portée de l'invention, une structure en pont 25 telle que représentée en figure 14 a une hauteur totale de l'ordre de 3 à 5 microns, sa partie parallèle au substrat en est éloignée de l'ordre de 2,5 à 3 microns, et chaque pile du pont a une largeur de l'ordre de 4 microns. Un élément de structure 25 tel que représenté en figure 14, peut conduire à la réalisation d'éléments plus complexes tels que représentés en figure 15. Sur cette figure, une suite d'éléments 25 a été construite en ligne, et elle permet d'effectuer des croisements avec des connexions 26 précis demment déposées sur le substat. L'application d'une telle structure plus complexe est représentée en figure 16 où l'on voit sur un élément de substrat 1 qui peut faire partie d'un ensemble beaucoup plus complexe, une structure spatiale à trois dimensions 27 dont une suite d'éléments en pont 25 enjambe les différentes métallisations d'une inductance intégrée 28. L'invention a été exposée en s'appuyant sur deux cas précis, celui d'une première métallisation en forme de T et celui d'une seconde métallisation en forme de pont. Cependant, il est évident que tout autres formes nécessitées par des technologies actuelles, et surtout dans le domaine des hyperfréquences dans lesquelles il devient très difficile de réaliser des métallisations, appartient également au domaine de l'invention, domaine dans lequel l'homme de l'art trouvera des applications évidentes avec des formes différentes de structures spatiales. De façon plus générale, l'invention est précisée par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une structure métallique de forme complexe selon le sens de son épaisseur, sur un substrat (1) de circuit en microélectronique, caractérisé en ce qu'il comprend la suite des opérations suivantes: - dépôt sur le substrat (1) d'une couche de résine (2) de type positif, sensible à un rayonnement corpusculaire, sur une épaisseur (e2) au moins égale à la hauteur de la structure, - irradiation d'au moins deux régions (19, 20) de la résine (2) au moyen d'une pluralité d'expositions successives au rayonnement corpusculaire d'intensité croissante depuis la première exposition qui irradie une région (19) superficielle, d'épaisseur (el) inférieure à l'épaisseur (e2) de la couche de résine, jusqu'à la dernière exposition qui irradie une région (20) profonde, d'épaisseur (e2) égale à l'épaisseur de la couche de résine (2), les régions irradiées étant toutes en contact réciproque, - élimination de la résine irradiée, les régions exposées (19, 20) laissant à leur place des caissons (13, 14, 15) formant l'empreinte de la structure complexe, -remplissage de l'empreinte (13, 14, 15) par un dépôt métallique (17, 18), - élimination de la résine non irradiée et de l'excès de métal (21) déposé auaelà du bord (16) de l'empreinte. 2. Procédé de réalisation d'une structure métallique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la résine (2) est sensible à un rayonnement corpusculaire parmi : électrons, ions, photons dans l'ultraviolet. 3. Procédé de réalisation d'une structure métallique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur (ei) d'une région irradiée est déterminée par le contrôle de l'intensité du faisceau irradiant et de la durée d'irradiation 4. Structure métallique de forme complexe selon le sens de son épaisseur, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par le procédé de réalisation selon la revendication 1. 5. Structure métallique selon la revendication 4, caractérisée en ce que son aire en contact avec le substrat (contact 17/1) est inférieure à l'aire de l'ombre portée de la structure (18) sur le substrat (1). 6. Structure métallique selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle constitue un pont (25) de croisement avec un conducteur métal lique (26) supporté par le substrat (1).