Brevet FR2550011A1 — publié le 19850201

DISPOSITF D'INTERCONNEXION ENTRE LES CELLULES D'UN CIRCUIT INTEGRE HYPERFREQUENCES PRE-IMPLANTE La présente invention concerne un dispositif d'interconnexion entre les cellules de circuits monolithiques hyperfréquences pré-implantés dans un substrat en matériaux semiconducteurs rapides, tels que Ga As Ce dispositif d'interconnexion permet, par sa structure, de transformer des réseaux quelconques de composants actifs et passifs, préalablement fabriqués sur des plaquettes de matériaux semiconducteurs, puis stockés, en circuits spécifiques correspondant à des schémas électriques particuliers, tout en tenant compte des impératifs propres aux liaisons électriques en hyperfréquences, tels que la longueur des liaisons et l'impédance ramenée par ces liaisons. Les circuits pré-diffusés sont bien connus, lorsqu'ils sont réalisés sur des matériaux tels que le silicium Ce sont des circuits intégrés regroupant, sur une même pastille semiconductrice, un nombre élevé de cellules élémentaires tels que des réseaux de transistors, des amplificateurs linéaires, des portes logiques etc Bien entendu, il existe différents types de 15 circuits intégrés pré-diffusés selon que les circuits à réaliser constituent de l'électronique linéaire ou logique, ou de puissance par exemple Chaque cellule ou fonction, telle qu'une porte, est complète et en état de fonctionnement, mais ses interconnexions d'entrée-sortie avec d'autres cellules ne sont pas réalisées: elles sont limitées à des plots métalliques en surface de 20 la pastille semiconductrice, et les interconnexions spécifiques, entre cellules, pour obtenir un circuit électronique bien défini, sont réalisées par un réseau de conducteurs métalliques, au moyen d'un ou plusieurs masques spécifiques Compte-tenu des fréquences de travail habituelles avec le silicium, la longueur ou la forme des métallisations d'interconnexion ne 25 posent pas de problèmes, et l'interconnexion des cellules est essentiellement limitée par la nécessité de n'avoir que peu de croisements de conducteurs, les croisements nécessitant une couche d'isolants entre deux conducteurs En outre,, les pastilles de circuits intégrés pré-diffusées sur silicium peuvent être stockées, les plots métalliques de prise de contact étant accessibles 30 pour la métallisation finale qui permet de réaliser le réseau des conducteurs. 255 C 011 Il n'en est plus de même avec les circuits intégrés pré-implantés hyperfréquences, c'est-à-dire ceux qui fonctionnent bien au-delà de I G Hz, vers 8 à 10 G Hz par exemple, et sont en fait réalisés dans des matériaux tels que Ga As ou In P par exemple, ces matériaux n'étant nullement limitatifs. 5 Dans ce cas, on parle de préférence de circuits pré-implantés puisque le dopage en impuretés dans le matériau de base ne se fait plus par diffusion, les dopages se font de préférence par implantation. Dans les circuits intégrés hyperfréquences, les liaisons entre les composants doivent tenir compte des impédances et capacités ramenées par 1 les liaisons elles-mêmes, et elles se font généralement par des lignes microbandes connues sous le nom anglais "microstrip" ce qui signifie qu'il est nécessaire de tenir compte de leur longueur, souvent liée à À /4, X étant la longueur d'onde à la fréquence de travail, pour que ces liaisons soient accordées Il n'est donc plus possible comme dans le cas d'un circuit 15 pré-diffusé sur silicium de réunir par exemple deux transistors qui sont déjà implantés dans la plaquette par une bande métallique conductrice quelconque En 6 utre, il est préférable de conserver les circuits pré-implantés sur Ga As avec une protection en surface, ce qui exclut de conserver des points de prise de contact ohmique par des métallisations ou tout au moins 20 rend malaisé de retrouver ces métallisations par perçage de la couche d'isolant qui recouvre la pastille de Ga As. L'interconnexion des cellules d'un circuit intégré pré-implanté hyperfréquences présente donc deux difficultés: d'une part, on ne peut pas se contenter d'une liaison métallique de forme et d'impédance quelconques, 25 d'autre part il y a préférentiellement en surface du circuit intégré préimplanté une couche de protection isolante. Le dispositif d'interconnexion selon l'invention utilise précisément la couche isolante déposée en surface d'un circuit pré-implanté comme moyen de formation de condensateurs ou des transformateurs de liaison, pour le 30 couplage magnétique ou capacitif entre une première couche de métallisation, qui fait partie du circuit pré-implanté, et une seconde couche de métallisation, qui constitue les interconnexions entre les cellules du circuit préimplanté, cette seconde couche étant supportée par la couche isolante de protection. 255 r C 011 De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif d'interconnexion entre les cellules d'un circuit intégré hyperfréquence préimplanté dans un matériau semiconducteur, les cellules étant formées de composants actifs et passifs qui comportent des métallisations sur la surface supérieure de la pastille de matériau semiconducteur, ce dispositif d'interconnexion étant caractérisé en ce que le couplage entre un composant d'une première cellule et un composant d'une seconde cellule est capacitif ou magnétique, et qu'il est réalisé par: au moins une microbande en contact ohmique avec une métallisation du premier composant et au moins une microbande en contact ohmique avec une métallisation du second composant, lesdites microbandes étant supportées par la surface supérieure du matériau semiconducteur, au moins une couche d'isolant, déposée sur la surface supérieure du matériau semiconducteur et sur les microbandes qu'il supporte, au moins une microbande supportée par la couche isolante, ladite microbande recouvrant partiellement les microbandes supportées par le matériau semiconducteur pour former une liaison capacitive. L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée qui suit, laquelle s'appuie sur les figures jointes en annexe et qui représentent: 20 figure 1: vue en plan d'un transistor à effet de champ, faisant partie d'une cellule pré-implantée, et montrant les moyens d'interconnexion entre circuits, figure 2: vue en coupe du transistor de la figure précédente, montrant le dispositif d'interconnexion en élévation, figure 3: schéma de principe de l'interconnexion hyperfréquence entre deux cellules pré-implantées, figure 4: vue supérieure d'une pastille de circuit intégré pré-implanté. Les circuits intégrés monolithiques fonctionnant en hyperfréquences 30 sont réalisés essentiellement sur des substrats de Ga As ou de matériaux de la famille III-V Dans de tels circuits intégrés, les éléments actifs sont les transistors à effet de champ et les éléments passifs sont les diodes, les résistances, les inductances, les capacités et les lignes de transmission. 25500 o 11 Des circuits pré-implantés sont réalisés qui regroupent des cellules dont chacune constitue une fonction élémentaire, l'ensemble des cellules formant un réseau mais les cellules n'étant pas encore interconnectées Les fonctions réalisées à partir des éléments actifs et passifs cités peuvent être des amplificateurs, des commutateurs ou des têtes complètes de réception par exemple La réalisation de tels circuits préimplantés passe par plusieurs étapes: réalisation des éléments actifs, les transistors, et des diodes, réalisation des éléments passifs, résistances et capacités, réalisation des inductances, des lignes de transmission et des interconnexions, réalisation des contacts d'entrée-sortie et épaississement des métallisations. L'étape la plus critique est la première, puisque la réalisation de 15 transistors de bonne qualité et de dimensions très petites, la longueur de grille étant de l'ordre de 1 micron, avec de bons contacts ohmiques, sur un matériau tel que Ga As, est une opération délicate C'est donc un intérêt des circuits intégrés pré-implantés que de proposer les plaquettes dans lesquelles sont déjà réalisés les -éléments les plus difficiles à réaliser c'est-à20 dire les transistors Les circuits pré- implantés présentent donc les avantages suivants: les étapes les plus difficiles sont réalisées préalablement et les plaquettes sont stockées et déjà testées, l'utilisateur peut facilement définir les fonctions à partir d'une 25 bibliothèque des cellules implantées sur le circuit intégré, en ajoutant les interconnexions qui transforment un réseau quelconque de cellules en un circuit bien spécifique, le temps de conception est raccourci puisque l'intégration des cellules dans le substrat du circuit intégré a été étudiée et réalisée 30 précédemment: le temps de conception est donc ramené au temps de conception des interconnexions, le temps de réalisation est également raccourci puisque les opérations d'implantation sont déjà faites et qu'il n'y a plus qu'à interconnecter en surface les cellules. 255 C 011 Avec les circuits intégrés pré-diffusés sur silicium, c'est-à-dire ceux fonctionnant en basse fréquence, la seule technique connue actuellement consiste à réaliser l'interconnexion entre deux cellules au moyen de lignes métalliques gravées sur un ou deux niveaux, entre les plots métalliques qui sont atteints à partir du niveau des lignes métalliques gravées au moyen de trous formés dans le diélectrique qui recouvre la pastille. Avec les circuits intégrés pré-implantés sur Ga As ou matériaux de la famille III-V, il n'est pas souhaitable d'utiliser cette méthode pour interconnecter des cellules hyperfréquences. En effet, la longueur électrique des interconnexions est très importante en hyperfréquences, ce qui limite sévèrement l'emplacement entre les éléments des cellules A titre d'exemple, X /4 à 10 G Hz, est égal à 2 mm, étant la longueur d'onde à cette fréquence. Les valeurs des impédances ramenées par les interconnexions doivent être adaptés avec les composants d'accords selon une spécification imposée par le fonctionnement du circuit Généralement, ces éléments sont calculés par un programme d'optimisation avant l'implantation des composants des cellules. Enfin, les interconnexions doivent rester les plus courtes possibles pour 20 éviter les pertes et les résonances parasites. L'invention propose de remédier aux difficultés d'interconnexion pour les circuits intégrés hyperfréquences en prévoyant un couplage entre le niveau des métallisations des éléments actifs, pré-implantés dans le substrat du circuit intégré, et le niveau des métallisations d'interconnexion, déposées 25 à la demande sur la surface extérieure de la couche d'isolant qui recouvre le circuit pré-implanté, ce couplage se faisant de façon capacitive ou magnétique, mais pas électrique vu en courant continu, c'est-à-dire sans contact ohmique ni perçage de la couche d'isolant. Les figures 1 et 2 prises en conjonction permettent de mieux com30 prendre le dispositif de couplage. La figure I représente un élément actif d'une cellule pré-implantée, par exemple un transistor à effet de champ vu en plan Les métallisations de ce transistor sont seules représentées, le substrat et les différentes couches actives étant derrière le plan de la figure Ce transistor comporte donc une 255 C 011 métallisation de source 1, une métallisation de grille 2 et une métallisation de drain 3 La métallisation de source 1 est polarisée par l'intermédiaire d'une métallisation 4 qui se trouve dans le même plan que les métallisations du transistor Mais les métallisations de grille 2 et de drain 3 sont pro5 longées, toujours dans ce même plan, par des microbandes qui sont respectivement la microbande 5 pour la grille 2 et la microbande 6 pour le drain 3. Ces microbandes ont par conséquent une longueur et une largeur définies par les lois des hyperfréquences, c'est-à-dire qu'elles sont le plus longues possible mais inférieures ou égales à X /4, X étant la longueur à la fré10 quence de travail Il est intéresssant que les microbandes soient le plus longues possible car cela facilite les interconnexions avec les cellules voisines. Par dessus les métallisations du premier niveau, est déposée une couche d'isolant 12, qui ne ressort de la figure 1 mais qui est très nette sur 15 la figure 2, laquelle reprend en coupe le transistor à effet de champ de la figure précédente. Les interconnexions avec les cellules voisines sont réalisées au moyen d'autres microbandes, déposées par dessus la couche d'isolant 12, les microbandes de ce second niveau croisant les microbandes 5 et 6 du premier 20 niveau C'est ainsi que l'on a représenté en pointillés -parce qu'elles ne sont pas dans le plan de la figure la trace d'une microbande 7 qui assure l'interconnexion avec la grille 2 du transistor, et la trace d'une microbande 9 qui assure l'interconnexion avec le drain du transistor Ces microbandes recouvrent en partie les microbandes 5 et 6 du premier niveau par des 25 surfaces 8 pour la microbande de grille 7, et 10 pour la microbande de drain 9, les surfaces 8 et 10 correspondant à l'adaptation nécessaire dont il a été question précédemment La superficie de la métallisation 8 détermine avec la microbande 5 et l'isolant 12 une capacité de valeur bien déterminée. De la même façon, la microbande 10 définit avec la microbande 6 et 30 l'isolant 12 une autre capacité de valeur également bien déterminée. La figure 2 complète la figure 1 en ce sens qu'elle montre le corps 11 de matériau semiconducteur, ce corps comportant le substrat et les différentes couches épitaxiées, couches actives, couches tampon etc qui n'ont pas été représentées sur cette figure parce que leur détail sort du domaine 255 r C 011 de l'invention Sur le matériau semiconducteur 11 est déposé un premier niveau de métallisation et l'on voit sur la figure 2 une partie de la métallisation de grille 2 et sa microbande 5, ainsi que la métallisation de drain 3 et sa microbande 6 Les métallisations de source, de grille, de drain 5 et les microbandes constituent le premier niveau; le second niveau est constitué par les métallisations d'interconnexion 8 et 10 qui sont séparées du premier niveau par la couche isolante 12. Il n'y a donc pas de trous qui sont réalisés dans la couche isolante et il n'y a pas de contact ohmique, avec ou sans trous Le couplage se fait dans le 10 cas présent par effet capacitif; il peut également se faire par effet magnétique en rapprochant deux conducteurs ou deux microbandes par exemple, qui de plus ne se recoupent pas nécessairement à angle droit, comme représenté sur les figures. Le fonctionnement de ce dispositif d'interconnexion est mieux compris 15 par le schéma de principe de la figure 3. La figure 3 présente l'exemple du couplage entre un premier transistor T 1 appartenant à une première cellule du circuit pré-implanté et un second transistor T 2 appartenant à une seconde cellule du même circuit préimplanté Le transistor T 1 possède, par exemple, une source 1, une grille 2 20 et un drain 3 comme ce qui a été représenté en figure 1: la grille 2 est munie d'une microbande 5 et le drain 3 est muni d'une microbande 6 Le transistor T 2 possède les mêmes éléments de source 1 ', grille 2 ' et drain 3 ' et est également muni de microbandes de grille 5 ' et de drain 6 '. Le couplage entre ces deux transistors implantés dans le matériau 25 semiconducteur se fait de façon capacitive par l'intermédiaire des microbandes 6 de drain du premier transistor T 1 et 5 ' de grille du second transistor T 2 Ces deux microbandes sont réunies par une microbande 9 située dans le second niveau de métallisation, c'est-à-dire déposée sur la couche d'isolant 12 qui recouvre le circuit pré-implanté Bien entendu, l'exemple 30 donné d'une liaison entre un drain et une grille n'est absolument pas limitatif de l'invention: l'interconnexion peut se faire entre microbandes en contact ohmique avec n'importe quel composant actif ou passif. En hyperfréquences, une faible capacité représente un couplage assez fort et son utilisation permet de gagner en souplesse de conception C'est la 255 C 01 1 capacité CI formée entre la microbande 6 de drain du transis tor T 1 et la microbande 9 d'interconnexion qui permet d'assurer une liaison capacitive De la même façon, une capacité C 2 est formée entre la microbande 5 ' de grille du transistor T 2 et la microbande d'interconnexion 9. La microbande de drain du transistor Tl ayant une ligne de transmission LI, la microbande 5 ' du transistor T 2 ayant une ligne de transmission L 2, et L et Z étant la longueur électrique et l'impédance de la microbande d'interconnexion 9, les éléments d'accord et d'interconnexion dans le dispositif selon l'invention sont L 1 et CI, L 2 et C 2, L et Zo de la 10 ligne d'interconnexion Les quatre valeurs Cl, C 2, L et Zo O peuvent être contrôlées indépendemment au dernier niveau d'interconnexion, ainsi que les valeurs de L 1 et L 2, au premier niveau d'interconnexion qui est protégé par la couche d'isolant 12; LI et L 2 étant réalisés sous une couche d'isolant, il n'est plus possible d'intervenir sur leurs impédances caractéristiques mais les 15 longueurs LI et L 2 peuvent être choisies avec la position des points P et Q. Les caractéristiques de l'interconnexion sont donc obtenues en jouant: en prerrmier lieu sur la position des points P et Q qui représentent respectivement le lieu de croisement de la microbande d'interconnexion 9 avec la microbande 6 de la première cellule et avec la microbande 5 ' de la seconde cellule La distance utile depuis le drain 3 du premier transistor Tl jusqu'au point P o est formé le condensateur C 1 est réglable, de même que la distance utile de la microbande 5 ' entre la grille 2 ' et le point Q o est formé le condensateur C 2, en second lieu, la longueur de la microbande 9: si la microbande 9 25 doit être longue, il est toujours possible de la recourber pour qu'elle trouve sa place géométriquement entre deux microbandes du premier niveau Si une microbande 9 doit être courte par rapport à la distance séparant deux microbandes qu'il faut interconnecter, il est possible d'allonger cette microbande 9 et de jouer sur les valeurs de C 1 et C 2, L et Zo O C'est pourquoi 30 l'invention prévoit que lorsque deux microbandes sont couplées, la métallisation qui constitue la microbande du niveau supérieur peut être adaptée en surface comme cela est montré pour les métallisations 8 et 10 de la figure 1, de façon à former une capacité adaptée. Le matériau diélectrique qui constitue la couche isolante 12 est un matériau minéral tel que la silice Si O 2 ou le nitrure de silicium Si 3 N 4 Il peut être également un matériau organique tel qu'un polyimide qui est parfois utilisé actuellement dans le domaine de Ga As Les caractéristiques de ce matériau isolant sont essentiellement d'avoir une constante diélec5 trique qui soit compatible avec la formation de capacités, compte-tenu de la gamme des dimensions possibles en fonction de la géormétrie des microbandes, et des valeurs de capacité en fonction des fréquences de travail. Un autre avantage de ce dispositif d'interconnexion consiste dans la protection de la surface de la pastille pendant le stockage des plaquettes 10 puisque par définition les circuits pré-implantés, comme les circuits prédiffusés, sont fabriqués d'avance et attendent d'être personnalisés pour une utilisation Grâce aux dispositifs selon l'invention, la couche isolante qui protège la surface de la plaquette de Ga As n'est pas percée et les éléments actifs restent efficacement protégés. La figure 4 montre une vue supérieure d'une pastille de circuit intégré pré-implanté selon l'invention La partie centrale de cette figure 4 laisse apparaître la couche d'isolant 12 qui protège le réseau de cellules pré-implantées et, sur cette couche isolante 12, une pluralité d'interconnexions métallique 9. Le réseau d'alimentation en courant continu des cellules est réparti sur la partie externe de la pastille Sur la figure 4, les alimentations des transistors sont représentées sur deux bords de la pastille, mais les alimentations réparties entre un et quatre bords sont également du domaine de l'invention La couche d'isolant 12 n'est déposée que sur le réseau de 25 cellules, de telle sorte qu'elle laisse dégagé le pourtour de la pastille o l'on voit apparaître, supportés par le matériau semiconducteur 11, des contacts électriques 13 Ces contacts électriques 13 correspondent par exemple à l'alimentation des transistors, tels que l'alimentation de la source par un conducteur 4 en figure 1 Parmi ces contacts électriques 13, certains peu30 vent correspondre à une prise de masse par exemple ou à d'autres fonctions nécessaires au circuit mais qui ne soient pas de l'interconnexion: par exemple l'entrée et la sortie du circuit font partie des contacts métalliques 13 pris sur les bords de la pastille du réseau pré-implanté. Les réseaux pré-implantés hyperfréquences qui sont réalisés actuellement comportent un nombre d'interconnexions inférieur à ce qui se fait sur silicium: 10 à 100 liaisons entre des cellules est un ordre de grandeur représentatif d'un circuit intégré hyperfréquences sur Ga As ou matériaux de la famille III-V fonctionnant dans des gammes de fréquences situées vers 8 à 10 G Hz On sait en effet que dans le domaine des hyperfréquences 5 on se limite au minimum à travailler dans les fréquences les plus élevées pour ensuite redescendre vers des appareils diviseur de fréquence ou des appareils de mesure qui travaillant à des fréquences plus faibles et peuvent, eux, comporter des circuits beaucoup plus complexes sur silicium et comportant un beaucoup plus grand nombre de cellules actives. , L'invention trouve une application dans toutes les parties à très hautes fréquences, des matériels de télécommunication, faisceaux hertziens, têtes actives de radar en émission ou en réception Elle est précisée par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'interconnexion entre les cellules d'un circuit intégré hyperfréquences pré-implanté dans un matériau semiconducteur ( 11), les cellules étant formées de composants actifs et passifs qui comportent des métallisations sur la surface supérieure de la pastille de matériau semi5 conducteur, ce dispositif d'interconnexion étant caractérisé en ce que le couplage entre un composant (T 1) d'une première cellule et un composant (T 2) d'une seconde cellule est capacitif ou magnétique, et qu'il est réalisé par: au moins une microbande ( 6) en contact ohmique avec une métal10 lisation ( 3) du premier composant (T 1) et au moins une microbande ( 5 ') en contact ohmique avec une métallisation ( 2 ') du second composant-(T 2), lesdites microbandes étant supportées par la surface supérieure du matériau semiconducteur, au moins une couche ( 12) d'isolant, déposée sur la surface supérieure 15 -du matériau semiconducteur ( 11) et sur les microbandes ( 5 ', 6), qu'il supporte. au moins une microbande ( 9) supportée par la couche isolante ( 12), ladite microbande recouvrant partiellement les microbandes ( 5 ', 6) supportées par le matériau semiconducteur ( 11) pour former une liaison capa20 citive. 2/ Dispositif d'interconnexion selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lignes microbandes ( 5 ', 6) supportées par le matériau semiconducteur ( 11) ont une longueur d'onde inférieure ou égale à À /4, A étant la longueur d'onde à la fréquence de travail du circuit pré-implanté. 3/ Dispositif d'interconnexion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de la couche d'isolant ( 12) est choisi parmi Si 02, Si 3 N 4 ou un polyimide. 4/ Dispositif d'interconnexion selon la revendication 1, caractérisé en ce que, L 1 étant la longueur électrique d'une première microbande ( 6) et L 2 30 la longueur électrique d'une seconde microbande ( 5 ') à interconnecter avec la première microbande ( 6), l'élément d'interconnexion est une micro- 255 C 011 bande ( 9), de longueur L et d'impédance caractéristique Zo 0, supportée par la couche isolante ( 12), et les éléments d'accord sont L 1, L 2, L, Zo et les valeurs Cl et C 2 des capacités formées par les microbandes prises deux à deux ( 6 et 9, 5 ' et 9) et la couche isolante ( 12) comme diélectrique. 5/ Dispositif d'interconnexion selon la revendication 4, caractérisé en ce que le point (P) o une microbande d'interconnexion ( 9) recouvre une microbande ( 6) supportée par le matériau semiconducteur ( 11) est choisi en vue d'adapter le circuit en impédance. 6/ Dispositif d'interconnexion selon la revendication 4, caractérisé en 10 ce qu'une microbande d'interconnexion ( 9) plus longue que la distance séparant deux microbandes ( 5 ', 6) à interconnecter est repliée en surface de la couche d'isolant ( 12). 7/ Dispositif d'interconnexion selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'une microbande d'interconnexion ( 9) plus courte que la distance 15 séparant deux microbandes ( 5 ', 6) à interconnecter est allongée à longueur suffisante et accordée au moyen de son impédance (Zo) et des deux capacités de couplage (C 1 C 2). 8/ Dispositif d'interconnexion selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'extrémité ( 10) d'une microbande d'interconnexion ( 9), qui recouvre 2 o une microbande ( 6) supportée par le matériau semiconducteur ( 11), est adaptée pour former avec celle-ci une capacité de valeur déterminée. 9/ Dispositif d'interconnexion selon la revendication I caractérisé en ce que la couche isolante ( 12) recouvre le réseau de cellules, et laisse à nu au moins une bande latérale de la pastille du circuit intégré préimplanté, 25 sur laquelle apparaissent les métallisations ( 13) d'alimentation et d'entréessorties du circuit intégré. i