Brevet FR2549289A1 — publié le 19850118

La présente invention concerne les procédés permettant d'appliquer sélectivement un métal de barrage à la surface de pastilles semiconductrices de type NPN, ainsi que des dispositifs semia conducteurs de type NPN comportant ce barrage métallique. Dans la fabrication des circuits intégrés à grande échelle (LS" et à très grande échelle (VLSI) du type bipolaire, une des difficultés concerne l'obtention, avec un rendement élevé, de pellicules minces de bonne qualité pour les schémas de métallisation normalisés à deux couches ou plus L'un des problèmes les plus sé10 rieux que l'on rencontre est qu'il faut faire en sorte, avec une certaine sdreté, que ces pellicules soient aptes à recouvrir les décrochements topographiques existant à la surface d'une pastille de silicium et à maintenir leur intégrité dans cette opération. Jusqu'ici, l'élément métallique le plus couramment utilisé dans l'industrie des semiconducteurs pour les interconnexions métalliques a été l'aluminium Malheureusement, l'aluminium présente une affinité pour le silicium pendant le frittage, ceci entraînant que les lignes de transport des signaux faites en aluminium rongent les dispositifs bipolaires à jonction peu profonde et les mettent en court-circuit. 20 Ceci pose tout spécialement un problème dans le cas des émetteurs à jonction peu profonde des dispositifs NPN La réponse à ce problème a consisté à utiliser des alliages d'aluminium contenant du silicium. Alors que cette solution résout le problème posé par l'affinité de l'aluminium pour le silicium, elle entraîne des difficultés en ce qui 25 concerne le revêtement par des pellicules minces Lorsque la couche aluminium-silicium a été incisée de façon à définir la configuration d'interconnexion de métallisation, le silicium contenu dans l'alliage reste sur place sous forme de petits nodules Ces nodules font fonction de centres de nucléation pendant les opérations ultérieures de 30 dépôt chimique sous forme vapeur des diélectriques et produisent une surface très rugueuse et même des bombements au niveau des décrochements, ce qui produit une surface qu'il est très difficile de revêtir d'une autre couche métallique. Une solution à ce problème a consisté à utiliser des 35 alliages d'aluminium ne contenant pas de silicium en même temps qu'un métal de barrage placé entre l'aluminium et le silicium afin d'empêcher que l'alliage ne ronge le silicium Un excellent candidat à ce r 8 le de métal de barrage est l'alliage titane-tungstène Malheureusement, l'alliage titane-tungstène établit un bon contact ohmique avec le silicium de type N mais non avec le silicium de type P Les procédés de la technique antérieure utilisant l'alliage titane-tungstène ont 5 donc demandé une opération de masquage photolithographique supplémentaire, ayant pour effet de rendre le procédé plus complexe et plus coûteux Ainsi, dans la technique antérieure, il a fallu définir une couche d'alliage de titanetungstène par un moyen photolithographique, puis former par incision des fenêtres de contact de silicium de type P avant le dép 6 t de l'aluminium et de la couche de métallisation. L'invention a pour but d'éviter les problèmes des procédés de la technique antérieure en éliminant l'opération d'incision photolithographique supplémentaire antérieurement nécessaire au 15 tracé de configuration de la couche de titane-tungstène. Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un procédé permettant d'appliquer sélectivement un métal de barrage à la surface d'une pastille semiconductrice de type NPN, comprenant les opérations suivantes: traiter la pastille semiconductrice de façon 20 à produire un dispositif du type transistor NPN possédant une fenêtre de contact d'émetteur exposée au silicium de type N, une fenêtre de contact de collecteur exposée au silicium de type N, et une fenêtre de contact supplémentaire contenant une couche de dioxyde de silicium au-dessus du silicium de type P; faire déposer une couche d'un alliage 25 de titanetungstène à la surface de la pastille semiconductrice ainsi traitée; enlever par incision la couche de titane-tungstène de la fenêtre de contact supplémentaire; enlever par incision la couche de dioxyde de silicium de la fenêtre de contact supplémentaire afin de faire apparaître le silicium de type P; faire déposer une couche 30 de métallisation en aluminium sur la pastille semiconductrice; utiliser une photolithographie des interconnexions conductrices pour enlever par incision des parties non voulues de la couche de métallisation afin de définir des lignes de transport de signaux; et enlever par incision les parties de la couche de titane-tungstène 35 qui ne sont pas revêtues par les lignes de transport de signaux de façon que la couche de titane-tungstène constitue un barrage métallique entre les lignes de transport de signaux et le silicium de type N des fenêtres de contact d'émetteur et de collecteur et de façon que les lignes de transport de signaux se connectent directement à la fenêtre de contact supplémentaire. Un procédé de décapage d'émetteur peut être utilisé pour produire ledit dispositif du type transistor NPN. Ladite fenêtre de contact supplémentaire peut être une fenêtre de contact de base. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé permettant d'appliquer sélectivement un métal de barrage 10 à la surface d'une pastille semiconductrice de type NPN, comprenant les opérations suivantes: traiter la pastille semiconductrice afin de produire un dispositif de type transistor NPN possédant une fenêtre de contact d'émetteur exposée au silicium de type N, une fenêtre de contact de collecteur exposée au silicium de type N et une fenêtre 15 de contact supplémentaire contenant une couche de dioxyde de silicium au-dessus du silicium de type P; faire apparaître le silicium de type P de ladite fenêtre de contact supplémentaire en enlevant par incision ladite couche de dioxyde de silicium; faire déposer une couche d'un alliage de titane- tungstène à la surface de la pastille 20 semiconductrice; effectuer un tracé de configuration par lithographie sur la couche de titane-tungstène de façon que l'alliage de titane-tungstène ne reste que dans la fenêtre de contact d'émetteur; faire déposer une couche de métallisation en aluminium sur la pastille semiconductrice; et utiliser une photolithographie des interconnexions 25 conductrices pour enlever par incision des parties non voulues de la couche de métallisation afin de définir des lignes de transport de signaux, de sorte que la couche de titane-tungstène produit un barrage métallique entre lesdites lignes de transport de signaux et le silicium de type N de la fenêtre de contact de l'émetteur et de sorte que 30 lesdites lignes de transport de signaux se connectent directement à la fenêtre de contact supplémentaire et à la fenêtre de contact de collecteur. Selon un autre aspect, non limitatif, de l'invention, il est proposé un dispositif du type semiconducteur NPN possédant des 35 fenêtres de contact de collecteur et d'émetteur en silicium de type N et une fenêtre de contact de base en silicium de type P comprenant: une ligne de transport de signaux en aluminium qui est en contact direct avec le silicium de type N de la fenêtre de contact de collecteur; une couche de titane-tungstène faisant fonction de barrage métallique qui est directement en contact avec le silicium de type N de ladite fenêtre de contact d'émetteur; une ligne de transport de signaux en aluminium qui est directement en contact avec ladite couche de titane- tungstène dans ladite fenêtre de contact d'émetteur; et une ligne de transport de signaux en aluminium qui est directement en contact avec ledit silicium de type P de ladite fenêtre de contact 10 de base, la disposition respective des parties étant telle que ledit barrage métallique ne sépare lesdites lignes de transport de signaux en aluminium du silicium de type N que dans ladite fenêtre de contact d'émetteur. La d Acription suivante, conçue à titre d'illustra15 tion, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une vue en élévation d'une partie d'une couche épitaxiale d'une pastille semiconductrice à une étape 20 précoce d'un procédé selon l'invention d'application sélective d'un métal de barrage à la surface d'une pastille semiconductrice de type NPN; lafigure 2 est une vue en plan de la pastille de la figure 1, au-dessus de laquelle est placé un masque; les figures 3 à 6 montrent la manière dont un dispositif semiconducteur de type NPN comportant une structure d'émetteur décapée est produit; les figures 7 à 9 sont des vues enelévation d'une pastille semiconductrice pendant les étapes successives d'un premier 30 mode de réalisation d'un procédé selon l'invention d'application sélective d'un métal de barrage à la surface d'une pastille semiconductrice de type NPN; les figures 10 à 13 sont des vues en élévation d'une pastille semiconductrice pendant les étapes successives d'un deuxième 35 mode de réalisation d'un procédé selon l'invention d'application sélective d'un métal de barrage à la surface d'une pastille semiconductrice de type NPN. Dans un mode de réalisation présentement préféré d'un procédé selon l'invention permettant l'application sélective d'un métal de barrage à la surface d'une pastille semiconductrice de type NPN, une pastille de silicium subit d'abord un processus de décapage d'émetteur afin qu'il soit produit un dispositif comportant des fenêtres de contact d'émetteur et de collecteur de silicium de type N découvrant le silicium nu et une fenêtre de contact comportant une couche de dioxyde de silicium au-dessus du silicium de type P. On va d'abord décrire ce procédé de décapage d'émetteur. Une partie d'une couche épitaxiale 10 de silicium de type N de la pastille de silicium à traiter est présentée sur la figure 1 La partie de la couche épitaxiale 10 présentée sur la figure 1 sera transformée en un dispositif de type transistor NPN. Naturellement, alors qu'il n'est prése"é et décrit qu'un seul dispositif du type transistor NPN, le procédé s'applique simultanément à un grand nombre de dispositifs de type NPN identiques De plus, non seulement des transistors NPN peuvent être revêtus de lignes de transport de signaux et d'un barrage métallique selon un procédé de l'invention, mais, de plus, des fenêtres de contact de type P isolées et protégées par le barrage métallique selon l'invention ne sont pas exclusivement des fenêtres de contact de base, mais pourraient également être des fenêtres de contact de type P pour résistances ou diodes par exemple. Pour appliquer le procédé de décapage d'émetteur à 25 la couche épitaxiale 10 présentée sur la figure 1, on commence-par placer la pastille dans un four en forme de tube en présence d'oxygène gazeux afin de faire croître une couche de dioxyde de silicium 12 à la surface de la couche épitaxiale 10 Selon un procédé photolithographique classique, on revêt d'abord la couche de dioxyde de silicium 30 12 au moyen d'une couche de vernis photosensible 14 On projette une lumière ultraviolette sur la couche de vernis photosensible 14 au travers de l'ouverture 22 du masque (voir figure 2) On enlève ensuite, à l'aide d'un révélateur, la partie de la couche de vernis photosensible 14 qui a été exposée via l'ouverture 22 afin de faire 35 apparaître la couche de dioxyde de silicium 12 On retire ensuite par incision cette partie exposée de la couche de dioxyde de silicium 12, jusqu'à faire apparaître le silicium nu, à l'aide d'un agent d'incision chimique de type humide Ensuite, on enlève la partie restante de la couche de vernis photosensible 14 L'ouverture 22 a défini ce qui va devenir la région de base d'un transistor NPN sur la couche épitaxiale 10 On place ensuite la pastille dans un tube de prédép 6 t, puis on fait passer un agent de dopage de type P (du bore) dans le tube, l'agent de dopage se déposant sur la pastille On place ensuite la pastille dans un deuxième tube qui contient de l'oxygène et, ou bien, de la vapeur d'eau pour faire passer l'agent de dopage 10 dans la couche épitaxiale 10, là o le silicium nu est à découvert, afinde former une région de base 25 de type P (figure 3) Ceci est une opération de redistribution La couche de dioxyde de silicium 12 protège les autres parties de la couche épitaxiale 10 vis-à-vis de l'agent de dopage On fait croître une nouvelle couche de dioxyde de 15 silicium 28 sur la surface de la pastille, en conséquence de l'opération de redistribution. Ensuite, on utilise un masque 30 (figure 4) comportant une ouverture 32 pour enlever par incision la couche de dioxyde de silicium 28 afin de faire apparaître une partie de la région de 20 base 25 jusqu'au silicium nu de nouveau On répète le processus de dopage en deux étapes qui vient juste d'être décrit afin de doper plus fortement cette partie isolée de la région de base 25 et de former, par conséquent, une région de contact de base 27 De nouveau, on fait croître une nouvelle couche de dioxyde de silicium 35 pendant l'opé25 ration de redistribution. Ensuite, on fait déposer une couche de nitrure de silicium 37 sur la pastille à l'aide d'une technique normale de dép St chimique de vapeur sous faible pression On utilise un masque photolithographique 40 comportant des ouvertures 42 a, 44 a et 46 a 30 pqur inciser la couehe de nitrure de silicium 37 en y formant des fenêtres 42 b, 44 b et 46 b correspondantes (figure 5) On utilise ensuite un masque 50 (figure 6) possédant des ouvertures surdimensionnées 52 a et 54 a au niveau des fenêtres 42 b et 44 b correspondantes qui ont été formées par incision dans l'étape précédente Ces fenêtres 35 42 b et 44 b définissent respectivement ce qui va devenir des régions de contact de collecteur et d'émetteur NPN On incise ensuite les couches de dioxyde de silicium 12, 28 et 35 afin de former les fenêtres 52 b et 54 b présentées sur la figure 6 On note que les fenêtres incisées 52 b et 54 b réelles correspondent aux tracés définis par les fenêtres 42 b et 44 b et non aux ouvertures sur5 dimensionnées 52 a et 54 a L'agent d'incision utilisé pour le dioxyde de silicium n'attaque sensiblement pas la couche de nitrure de silicium 37 Ainsi, il est possible de surdimensionner les ouvertures 52 a et 54 a afin d'éliminer les problèmes d'alignement imprécis entre les ouvertures du masque 50 et les fenêtres 42 b et 44 b de la 10 couche de nitrure de silicium 37. Il est maintenant nécessaire de doper le silicium apparaissant dans les fenêtres 52 b et 54 b à l'aide d'un agent de dopage de type N pour former les régions de contact de collecteur et d'émetteur du dispositif de type transistor NPN Dans un procédé 15 de décapage d'émetteur, on effectue cette opération en minimisant la quantité de dioxyde de silicium ayant cru pendant la diffusion de l'agent de dopage de type N dans la couche épitaxiale 10 On place la pastille (telle qu'elle est représentée sur la figure 6) dans un tube de dopage et on fait déposer un agent de dopage de type N, par 20 exemple le phosphore, sur le silicium apparaissant dans les fenêtres 52 b et 54 b Il s'agit d'une opération analogue à l'opération de prédép 6 t du procédé classique en deux étapes Pour éviter la croissance d'une autre couche de dioxyde de silicium, on ne fait pas suivre l'opération de prédép 6 t d'une opération de redistribution, 25 mais, au contraire, on compte sur la seule opération de prédépft pour faire diffuser l'agent de dopage de type N dans le silicium jusqu'à la profondeur voulue pour former une fenêtre de contact de collecteur 60 et une fenêtre de contact d'émetteur 62 En réalité, ii croît inévitablement une très mince couche de dioxyde de silicium 30 sur la pastille à la suite de la seule opération de prédép 8 t On peut toutefois "décaper" (enlever entièrement par incision) cette mince couche à l'aide d'une attaque chimique liquide sans masque. C'est de là que l'expression "procédé de décapage d'émetteur" résulte. La figure 6 montre le dispositif de type transistor NPN produit par 35 ce procédé bien connu, et il comporte les fenêtres de contact de collecteur 60 et d'émetteur 62 découvrant le silicium nu, tandis qu'une fenêtre de contact de base située au-dessous de la fenêtre 46 b est revêtue par la couche de dioxyde de silicium 35. Maintenant, selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté sur les figures 7 à 9, on applique par pulvérisation une couche 70 d'alliage de titane-tungstène sur la surface 5 de la pastille La couche de titane-tungstène 70 établit un contact direct avec le silicium dans les fenêtres de contact de collecteur 60 et d'émetteur 62 et avec la couche de dioxyde de silicium 55 située au-dessus de la fenêtre de contact de base On effectue une opération photolithographique au niveau de la fenêtre de contact de silicium 10 de type P à l'aide d'un masque 80 présentant une ouverture 82 afin d'enlever par incision une partie 74 correspondante de la couche de titane-tungstène 70 On enlève donc par incision une fenêtre 36 dans la couche de dioxyde de silicium afin de mettre à découvert la fenêtre de contact de base 64 dans la région de contact de base 27 15 jusqu'au silicium nu On fait ensuite déposer une première couche 90 de métallisation en aluminium sur la pastille (figure 8) On effectue ensuite un tracé de configuration sur la première couche 90 à l'aide d'une photolithographie des interconnexions et on enlève par incision les parties 92, 94, 96 et 98 afin de produire les lignes de transport de signaux 100, 102 et 104 On enlève ensuite par incision les parties restantes de la couche de titane-tungstène 70 qui ne sont pas revêtues par les lignes de transport de signaux 100 et 102 en utilisant comme masque les lignes de transport de signaux revêtues d'un vernis photosensible On enlève ensuite le vernis'photosensible res25 tant On notera qu'il serait possible d'enlever le vernis photosensible avant l'incision de la couche de titane-tungstène dans la mesure o l'agent d'incision utilisé pour le titane-tungstène n'attaque pas l'aluminium On laisse en place, de facon normale, les parties restantes des couches de dioxyde de silicium 12, 28 et 35 et de la couche de nitrure de silicium 37 La structure résultante est présentée sur la figure 9, o l'on voit que la couche de titane-tungstène 70 offre un barrage entre les lignes de transport de signaux 100 et 102 et le silicium des fenêtres de contact de collecteur et d'émetteur de type N 60 et 62, et non dans la fenêtre de contact de base 64 en 35 silicium de type P. En conséquence, aucune opération photolithographique supplémentaire n'est nécessaire pour - délimiter la couche de titanetungstène 70, puisque celle-ci a été initialement enlevée de la fenêtre de contact de base 64 lorsque l'on a retiré la couche de dioxyde de silicium et qu'on l'a ultérieurement enlevée par incision en utilisant les lignes de transport de signaux comme masque Les structures bipolaires à jonction peu profonde peuvent donc être protégées sans que soient introduits des nodules de silicium Le métal de barrage peut être placé dans les fenêtres de contact de silicium 10 de type N, et non dans les fenêtres de contact de silicium de type P. sans que ceci augmente notablement la complexité du procédé de fabrication Une opération de dép 5 t de métal et deux opérations d'incision non cruciales ont été mises à la place d'une opération de masquage photolithographique supplémentaire. Un autre mode de réalisation de l'invention est présenté sur les figures 10 à 13 Selon ce procédé, qui s'applique à la structure d'émetteur décapée que représente la figure 6, on utilise un masque 120 comportant une ouverture 122 pour ouvrir la fenêtre de contact de base 64 (ainsi que toutes les autres fenêtres de contact de type P se 20 trouvant sur la pastille) en enlevant la partie exposée de la couche de dioxyde de silicium 35 (figure 10) On fait déposer une couche de titane-tungstène 70 A sur toute la pastille 10 On utilise un masque 130, comportant des ouvertures 132 et 134, pour enlever par incision des parties 72 A et 74 A de la couche de titane-tungstène 70 A de façon que 25 cette dernière ne subsiste que dans les fenêtres de contact d'émetteur en silicium de type N (voir figure 11) On applique ensuite une couche de métallisation 140 en aluminium et on utilise une photolithographie des interconnexions pour enlever par incision les parties 142, 144, 146 et 148 de la couche de métallisation 140 afin de définir des lignes 30 de signaux 150, 152 et 154 (figure 12) Le résultat final est le dispositif présenté sur la figure 13, o la couche de titane-tungstène 70 A n'est disposée qu'entre les lignes de transport de signaux et les fenêtres d'émetteur de type N. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, 35 à partir des procédés et du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses autres variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé permettant d'appliquer sélectivement un métal de barrage à la surface d'une pastille semiconductrice de type NPN, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: traiter la pastille semiconductrice afindeÄproduire un dispositif du type transistor NPN possédant une fenêtre de contact d'émetteur ( 62) découvrant le silicium de type N, une fenêtre de contact de collecteur ( 60) découvrant le silicium de type N, et une fenêtre de contact supplémentaire ( 64) comportant une couche C 35) de dioxyde de silicium au-dessus 10 du silicium de type P; faire déposer une couche ( 70) d'un alliage de titanetungstène à la surface de la pastille semiconductrice ainsi traitée; enlever par incision la couche de titane-tungstène ( 70) de la fenêtre de contact supplémentaire ( 64); enlever par incision la couche de dioxyde de silicium ( 35) de la fenêtre de contact supplémen15 taire ( 64) afin de faire apparaître le silicium de type P; faire déposer une couche de métallisation ( 90) en aluminium sur la pastille semiconductrice; utiliser une photolithographie des interconnexions conductrices pour enlever par incision des parties non voulues de la couche de métallisation ( 90) afin de définir des lignes de trans20 port de signaux ( 100, 102, 104); et enlever par incision les parties de la couche de titane-tungstène ( 70) qui ne sont pas revêtues par les lignes de transport de signaux ( 100, 102, 104) de façon que la couche de titane- tungstène ( 70) produise un barrage métallique entre les lignes de transport de signaux ( 100, 102, 104) et le silicium de type N 25 des fenêtres de contact d'émetteur et de collecteur ( 62, 60) et de façon que les lignes de transport de signaux ( 100; 102, 104) se connectent directement à la fenêtre de contact supplémentaire ( 64). 2 Prodédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un procédé de décapage d'émetteur pour produire ledit 30 dispositif du type transistor NPN. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fenêtre de contact supplémentaire ( 64) est une fenêtre de contact de base. 4 Procédé permettant d'appliquer sélectivement un métal de barrage à la surface d'une pastille semiconductrice de type NPN, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: traiter la pastille semiconductrice afin de produire un dispositif du type transistor NPN possédant une fenêtre de contact d'émetteur ( 62) découvrant le silicium de type N, une-fenêtre de contact de collec5 teur ( 60) découvrant le silicium de type N, et une fenêtre de contact supplémentaire ( 64) comportant une couche ( 35) de dioxyde de silicium au-dessus du silicium de type-P; mettre à découvert ladite fenêtre de contact supplémentaire ( 64) jusqu'au silicium de type P en enlevant par incision ladite couche de dioxyde de silicium ( 35); 10 faire déposer une couche ( 70 A) d'un alliage de titane-tungstène à la surface de la pastille semiconductrice; effectuer un tracé de configuration sur la couche de titane-tungstène ( 70 A) par photolithographie de façon que l'alliage de titane-tungstène ne reste que dans la fenêtre de contact d'émetteur ( 62); faire déposer une 15 couche de métallisation ( 140) en aluminium sur la pastille semiconductrice; et utiliser une photolithographie des interconnexions conductrices pour enlever par incision des parties non voulues de la couche de métallisation ( 140) afin de définir des lignes de transport de signaux ( 150, 152, 154) de façon que la couche de titane-tungstène 20 ( 70 A) offre un barrage métallique entre lesdites lignes de signaux ( 152) et le silicium de type N de la fenêtre de contact d'émetteur ( 62) et de façon que lesdites lignes de signaux ( 150, 154) se connectent directement à la fenêtre de contact de collecteur ( 60) et à la fenêtre de contact supplémentaire ( 64). 5 Dispositif semiconducteur de type NPN possédant des fenêtres de contact de collecteur ( 60) et d'émetteur ( 62) de silicium de type N et une fenêtre de contact de base ( 64) de silicium de type P caractérisé en ce qu'il comprend: une ligne de transport de signaux ( 150) en aluminium qui est en contact direct avec le 30 silicium de type N de la fenêtre de contact de collecteur ( 60); une couche de titane-tungstène ( 70 A) faisant fonction de barrage métallique qui est en contact direct avec le silicium de type N de ladite fenêtre de contact d'émetteur ( 62); une ligne de transport de signaux ( 152) en aluminium qui est en contact direct avec ladite 35 couche de titane-tungstène ( 70 A) dans ladite fenêtre de contact d'émetteur ( 62); et une ligne de transport de signaux ( 154) en aluminium qui est directement en contact avec le silicium de type P de ladite fenêtre de contact de base ( 64), ces parties étant disposées de telle façon que ledit métal de barrage ne sépare lesdites lignes de transport de signaux ( 152, 154) en aluminium vis-à-vis du silicium de type N que dans ladite fenêtre de contact d'émet5 teur ( 62).