Brevet FR2526225A1 — publié le 19831104

-1- "PROCEDE DE REALISATION D'UN CONDENSATEUR INTEGRE, ET DISPOSITIF AINSI OBTENU" La présente invention concerne un procédé de réalisation de condensateurs intégrés dans une structure microélectronique comportant des éléments actifs et pas- sifs créés dans un corps semiconducteur et recouverts d'un réseau d'interconnexions multicouche comportant successi- vement une première couche en une substance isolante, une première nappe de bandes conductrices, une seconde couche en une substance isolante, puis une seconde nappe de ban- des conductrices, des bandes conductrices de ladite secon- de nappe venant localement en contact avec des bandes conductrices de la première nappe selon des plages conduc- trices de contact s'étendant dans les ouvertures pratiquées dans la seconde couche isolante. La présente invention concerne également le dis- positif obtenu par ce procédé. Pour réaliser des condensateurs au sein d'une microstructure électronique, on utilise de préférence la technique des couches minces, les condensateurs réalisés selon cette technique présentant une plus grande capacité par unité de surface et des résistances parasites beaucoup plus faibles que les capacités de jonctions diffusées aux- quelles il peut aussi être fait appel De plus, la capacité des condensateurs en couches minces n'est pas tributaire de la tension appliquée comme l'est celle des jonctions semi- conductrices. L'isolant utilisé comme diélectrique dans ces condensateurs est le plus souvent le dioxyde de silicium, Si 02, du fait que cet oxyde se forme au cours de la plupart des opérations de préparation des dispositifs réalisés à partir de substrats en silicium Mais cet oxyde a une faible permittivité. -2- Comme il est difficile de réaliser des épais- seurs très faibles de cet oxyde par suite du risque d'ap- parition de défauts d'isolement, on a cherché à remplacer ce diélectrique par d'autres matériaux à plus haute permit- tivité, notamment par le nitrure de silicium seul ou asso- cié avec l'oxyde de silicium et plus récemment par l'oxyde d'aluminium ou alumine éventuellement associé également à une couche dudit oxyde de silicium. Les procédés connus d'obtention de couches min- ces homogènes et denses de ces diélectriques exigent géné- ralement des opérations supplémentaires, souvent complexes et délicates, qui font appel à un matériel coûteux et im- portant C'est le cas pour ce qui concerne les couches d'oxyde ou de nitrure de silicium C'est la raison pour laquelle on utilise de plus en plus couramment un procédé d'oxydation anodique pour créér une couche d'oxyde à par- tir de la surface d'une couche métallique déjà déposée, une tension appropriée étant alors appliquée entre ladite surface métallique à oxyder et une électrode plongée dans un électrolyte. Cette solution est particulièrement intéressante lorsqu'il s'agit de réaliser des condensateurs dits "MOM" métal-oxyde-métal puisque l'on peut créer la couche diélec- trique du condensateur dans la première couche métallique déposée. Cependant, dans ce cas, il y a lieu de faire un choix, non seulement dans la nature des métaux utilisés mais également dans la composition de l'électrolyte servant à l'anodisation C'est ainsi, en effet, que certaines solu- tions utilisées comme électrolyte et comportant, par exem- ple, de l'acide oxalique et de l'éthylène-glycol conduisent à l'obtention d'une couche d'alumine poreuse lors de l'ano- disation d'une couche d'aluminium Ce phénomène est souvent très fâcheux car l'aluminium est l'un des métaux les plus utilisés dans la réalisation de prises de contacts de micro- structures électroniques (transistors ou circuits intégrés) et d'armatures de condensateurs intégrés: dans ces condi- -3- tions, ledit aluminium pourra diffuser dans l'alumine poreuse au risque de créer des courts-circuits. Pour remédier à cet inconvénient, il y a lieu de prévoir une couche de protection faite en un métal empê- chant cette diffusion, par exemple du nickel déposé de part et d'autre de la couche d'alumine, mais la mise en oeuvre qui comporte ainsi des opérations supplémentaires devient alors plus complexe et plus chère. On sait, par ailleurs, que compte tenu de la densité des éléments actifs ou passifs implantés dans une microstructure électronique, la liaison électrique entre les divers éléments nécessite une pluralité de réseaux de connexions ou d'interconnexions qui, pour des raisons d'en- combrement, ne peuvent être disposés qu'en couches superpo- sées séparées par des couches ou cloisons isolantes Cette disposition est généralement connue des spécialistes sous le vocable de 'structure multi-couches de prise de contact". Le but de la présente invention est donc de réa- liser des condensateurs MOM intégrables dans une structure multi-couches, notamment à deux niveaux d'interconnexions par des opérations simples, reproductibles et compatibles avec la réalisation simultanée des autres éléments des ré- seaux de prise de contact desdites couches et des éléments de liaison électrique ou "vias" entre ces dernières. Un autre but de l'invention est de réaliser des condensateurs dont le diélectrique est un oxyde métallique à haute permittivité et dont la nature des armatures métal- liques convient par ailleurs à la réalisation des connexions électriques. Pour ce faire, l'invention utilise la formation d'un oxyde par oxydation anodique d'un métal de bonne conductivité électrique plongé dans une solution électroly- tique appropriée et soumis à l'effet d'une tension exté- rieure. L'invention concerne un procédé de réalisation de condensateurs intégrés dans une structure microélectronique comportant des éléments actifs et passifs créés dans un -4- corps semiconducteur et recouverts d'un réseau d'inter- connexions multi-couches comportant successivement une première couche en une substance isolante, une première nappe de bandes conductrices, une seconde couche en une substance isolante, puis une seconde nappe de bandes con- ductrices, des bandes conductrices de ladite seconde nappe venant localement en contact avec des bandes conductrices de la première nappe selon des plages conductrices de con- tact s'étendant dans les ouvertures pratiquées dans la seconde couche isolante, procédé notamment remarquable en ce que, à partir de la surface dudit corps semiconducteur et sur la première couche de substance isolante préalable- ment photogravée, on dépose une première couche métallique anodisable à partir de la totalité de la surface de laquelle on procède ensuite à une oxydation anodique super- ficielle pour former une pellicule étanche et isolante, puis en ce que, par un procédé de photogravure approprié et à travers ladite pellicule isolante, on donne à la fois à la première couche métallique la configuration d'une première nappe de bandes conductrices et la forme d'une première armature d'au moins un condensateur, en ce que l'on recouvre la totalité de la surface d'une seconde cou- che de substance isolante dans laquelle on pratique une pluralité d'ouvertures, les unes traversant la pellicule isolante en regard de plages de contact de la première nappe de bandes conductrices, les autres affleurant ladite pellicule isolante en regard de la première armature du condensateur et, enfin, en ce que l'on dépose sur l'ensem- ble une seconde couche métallique que l'on photograve de manière à définir, d'une part une seconde nappe de bandes conductrices reliées localement à des plages de la première nappe, et d'autre part une seconde armature du condensateur superposée à la première, mais isolée de celleci par une portion de la pellicule isolante. Ce procédé présente de nombreux avantages En effet, en premier lieu, le fait d'utiliser une pellicule diélectrique étanche permet d'améliorer les caractéristi- -5- ques du condensateur réalisé et d'éliminer les risques d'apparition de courants de fuite Par ailleurs, toutes les opérations nécessaires à la mise en oeuvre dudit procédé sont effectuées à basse température et ne font donc pas évoluer les caractéristiques physico-électriques des composants diffusés ou implantés constituant les éléments actifs ou passifs de la structure. Mais le principal avantage réside dans le fait que le procédé selon l'invention permet de réaliser des conden- sateurs dans une structure multi-couches sans augmenter le nombre d'opérations puisque chacune des armatures desdits condensateurs est obtenue simultanément à chacune des nap- pes de bandes conductrices par la photogravure de couches métalliques communes. De préférence, les couches métalliques déposées à la surface du corps semiconducteur et formant les nappes de bandes conductrices et les armatures de condensateurs sont en aluminium et la pellicule étanche isolante est donc en alumine. On connalt déjà plusieurs procédés de réalisation de condensateurs MOM créés à la surface de corps semiconduc- teurs à partir d'une couche diélectrique obtenue par oxyda- tion anodique superficielle d'une première couche métallique sous-jacente anodisable, ladite couche diélectrique étant elle-même recouverte d'une seconde couche métallique Un condensateur de ce type est notamment décrit dans 1 ' "Offen- legungsschrift 1 920 684 et comporte une couche d'alumine étanche incluse entre deux armatures en aluminium. Dans ce cas, comme dans d'autres également connus, les conditions de réalisation et le procédé utilisé sont très différents de ceux faisant l'objet de la présente in- vention En effet, conformément à la description effectuée dans le mémoire cité ci-dessus, la réalisation du condensa- teur n'est pas liée à la mise en place en "structure multi- couches" de plusieurs niveaux de réseaux de connexions à la surface du corps semiconducteur, ce qui simplifie de beau- coup la mise en oeuvre du procédé, ladite structure multi- -6- couches étant d'ailleurs, à l'heure actuelle, la seule com- patible avec la complexité des nouveaux circuits intégrés. Par ailleurs, selon ce même mémoire, la couche dié- lectrique est obtenue par oxydation anodique localisée de la couche métallique sous-jacente et la gravure des deux armatures du condensateur n'est effectuée qu'après la for- mation de ladite couche diélectrique. Au contraire, selon la présente invention, l'oxyda- tion anodique de la pellicule isolante est effectuée sur la totalité de la surface de la première couche métallique, et c'est après cette opération d'oxydation que la pellicule isolante est photogravée de manière à crééer une armature du condensateur et une première nappe de bandes conductri- ces, puis les liaisons électriques transversales. La présente invention concerne également un disposi- tif semiconducteur comportant des éléments actifs et pas- sifs recouverts sur une face d'un réseau d'interconnexions constitué d'au moins deux nappes de bandes conductrices séparées par une couche en une substance isolante traversée localement par des plages conductrices de contact reliant au moins une bande de la première nappe à au moins une ban- de de la seconde nappe, dispositif notamment remarquable en ce que, sur la même face portant ledit réseau d'intercon- nexions, il comporte également au moins un condensateur dont les armatures sont situées au même niveau que lesdites nap- pes et sont isolées entre elles par une pellicule étanche créée à la surface d'une couche métallique par un procédé d'oxydation anodique de cette couche suivi d'une opération de photogravure. La description qui va suivre, en regard des figures décrivant des exemples non limitatifs, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures 1 à 3 représentent, schématiquement et en coupe, diverses étapes de la réalisation d'un dispositif semiconducteur comportant un condensateur MOM obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. -7- Il est à noter que, sur les figures, les dimensions sont considérablement exagérées et non proportionnées, ceci afin de rendre les dessins plus clairs. Dans l'exemple illustré par lesdites figures 1 à 3, on part d'une plaquette semiconductrice 1 dans laquelle on crée des éléments actifs et passifs non représentés sur les figures A la surface 2 de ladite plaquette, on dépose une première couche isolante 3 généralement de Si O 2 dans laquelle on pratique des ouvertures 4 nécessaires à la pri- se des contacts sur les éléments actifs ou passifs. On recouvre la surface de la couche isolante 3 et les ouvertures 4 d'une couche d'aluminium constituant la première couche métallique 5 que l'on traite superficielle- ment par anodisation pour obtenir une pellicule 6 d'oxyde d'aluminium étanche recouvrant la totalité de ladite couche (figure 1). Ladite pellicule d'alumine 6 est formée dans une solution aqueuse d'acide tartrique à 30 g/litre et de p H = 1,8 sous une tension choisie en fonction de l'épaisseur à on obtenir à raison de 10 A/volt: ladite tension est choisie dans cet exemple aux environs de 25 V. L'opération suivante consiste à diviser la couche d'aluminium 5 en une première nappe de bandes conductrices a et une armature 5 b d'un condensateur MOM Pour ce faire, on creuse un ou plusieurs évidements 7 dans la pellicule 6 et dans ladite couche 5, et l'on recouvre ensuite l'ensem- ble d'une seconde couche 8 en substance isolante (figure 2). Dans cette couche 8, on pratique alors un certain nombre d'ouvertures: les unes, 9, traversant la pellicule isolante 6, les autres, 10, affleurant ladite pellicule On recouvre la totalité de la surface d'une seconde couche métallique, par exemple d'aluminium, que l'on photograve pour former la seconde nappe de bandes conductrices 11 et la seconde armature 12 du condensateur. Ledit condensateur obtenu en même temps que les nap- pes de bandes conductrices 5 a et 11 est donc constitué de deux armatures 5 b et 12 séparées par un diélectrique formé -8 - de la pellicule d'alumine étanche 6. Conformément à la figure 3, une bande conductrice de la nappe il pénètre dans l'ouverture 9 et vient en contact avec une bande conductrice de la nappe 5 a, cette liaison électrique étant connue des spécialistes sous le nom de "via". -9- REVENDICATIONS - 1 Procédé de réalisation de condensateurs intégrés dans une structure microélectronique comportant des élé- ments actifs et passifs créés dans un corps semiconducteur ( 1) et recouverts d'un réseau d'interconnexions multi- couches comportant successivement une première couche ( 3) en une substance isolante, une première nappe de bandes conductrices ( 5 a), une seconde couche ( 8) en une substance isolante, puis une seconde nappe de bandes conductrices ( 11), des bandes conductrices de ladite seconde nappe venant localement en contact avec des bandes conductrices de la première nappe selon des plages conductrices de contact s'étendant dans les ouvertures ( 9) pratiquées dans la secon- de couche isolante ( 8), procédé caractérisé en ce que, à partir de la surface dudit corps semiconducteur ( 1) et sur la première couche de substance isolante ( 3) préalablement photogravée, on dépose une première couche métallique ano- disable ( 5) à partir de la totalité de la surface de laquel- le on procède ensuite à une oxydation anodique superficielle pour former une pellicule étanche et isolante ( 6), puis en ce que, par un procédé de photogravure approprié et à tra- vers ladite pellicule isolante ( 6), on donne à la fois à la. première couche métallique ( 5) la configuration d'une pre- mière nappe de bandes conductrices ( 5 a) et la forme d'une première armature ( 5 b) d'au moins un condensateur, en ce que l'on recouvre la totalité de la surface d'une seconde couche de substance isolante ( 8) dans laquelle on pratique une plu- ralité d'ouvertures, les unes ( 9) traversant la pellicule isolante ( 6) en regard de plages de contact de la première nappe de bandes conductrices, les autres ( 10) affleurant ladite pellicule isolante en regard de la première armature du condensateur et, enfin, en ce que l'on dépose sur l'en- semble une seconde couche métallique que l'on phot-ogarve de manière à définir, d'une part une seconde nappe ( 11) de ban- -10- des conductrices reliées localement à des plages de la pre- mière nappe, et d'autre part une seconde armature ( 12) de condensateur superposée à la première mais isolée de celle- ci par une portion de la pellicule isolante ( 6). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches métalliques déposées à la surface du corps semiconducteur et formant les nappes de bandes conduc- trices ( 5 a, 11) et les armatures ( 5 b, 12) de condensateurs sont en aluminium et en ce que la pellicule étanche isolante ( 6) est en alumine. 3 Dispositif semiconducteur obtenu par le procédé conforme à l'une des revendications 1 et 2, comportant des éléments actifs et passifs recouverts sur une face d'un ré- seau d'interconnexions constitué d'au moins deux nappes ( 5 a, 11) de bandes conductrices séparées par une couche en une substance isolante ( 8) traversée localement par des plages conductrices de contact reliant au moins une bande de la première nappe ( 5 a) à au moins une bande de la seconde nap- pe ( 11), caractérisé en ce que, sur la même face portant ledit réseau d'interconnexions, il comporte également au moins un condensateur dont les armatures ( 5 b, 12) sont si- tuées au même niveau que lesdites nappes ( 5 a, 11) et sont isolées entre elles par une pellicule étanche ( 6) créée à la surface d'une couche métallique ( 5) par un procédé d'oxy- dation anodique suivi d'une opération de photogravure.