Brevet FR2606551A1 — publié le 19880513

PROCEDE DE FOR#iATION DE CONTACTS OHMIQUES SUR DU SILICIUM La présente invention concerne le domaine de la fabrication et des tests sur des dispositifs à semiconducteur à base de silicium. Dès le début de la fabrication des semiconducteurs, l'un des problèmes pratiques importants qui s'est pose à résidé dans l'établissement de contacts ponctuels en divers points du semiconducteur. Ces contacts doivent présenter une bonne ohmicité, c'est-à-dire ne pas etre redresseurs, une faible impédance et une bonne adhérence. Dans les techniques actuelles, des procédés très élaborés ont été mis en oeuvre pour établir des contacts de bonne qualité et ces procédés nécessitent des étapes complexes de préparation des contacts, d'implantation ionique et de dépôt sous vide des matériaux de contact. Un objet de la présente invention est de prévoir un procédé particulièrement simple, rapide et économique pour établir des contacts ohmiques en des points d'une tranche semiconductrice. Ce procédé, en raison de sa grande simplicité, s'appliquera tout particulièrement a l'établissement rapide de contacts dans des buts de tests et d'essais de laboratoire (notamment après la fabrication de plaquettes ou la formation de couches épitaxiées, on réalise couramment des tests de mobilité par effet Hall nécessitant la prise d'un petit nombre de contacts). Il peut aussi être adapté à des processus industriels de fabrication en série moyennant la prévision de certaines précautions. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un procédé de formation de contacts ohmiques sur du silicium consistant à déposer en des points choisis de la surface du silicium un mélange d'or, de mercure et d'un dopant du même type de conductivité que le silicium et dont 1'eutectique avec l'or fond à une température déterminée inférieure à 4000C, et à chauffer lentement entre 2000C et une température légèrement inférieure à ladite température déterminée. Selon un mode de réalisation de la présente invention le silicium est de type N et le dopant est de l'antimoine, le mélange étant formé à partir de mercure, d'un eutectique Au-Sb et éventuellement d'or. Selon un mode particulier de réalisation de la présente invention le silicium est de type P et le dopant est du gallium, le mélange étant formé à partir de mercure, d'or revêtu de gallium et éventuellement d'or. Dans l'exposé ci-après, on donnera une explication du processus physicochimique mis en oeuvre par la présente invention, étant entendu que, même si cette explication s'avère erronée, la présente invention n'en a pas moins été testée en laboratoire et les résultats décrits ont été obtenus. La présente invention se base sur le fait qu'entre 200 et 300 C, l'or se dissout rapidement dans le mercure puis, tandis que la température augmente, le mercure est libéré et l'or se précipite sur du silicium sous-jacent pour former un alliage. Comme l'or et le silicium forment un eutectique à environ 380 C, il en résulte que des structures de contacts mécaniquement stables peuvent être formées par le précipité d'or sur la surface de silicium au voisinage de cette température. Il a été observé expérimentalement que, quand un mélange or/mercure était chauffé à une température voisine de 4000C, l'or précipitait à partir du mélange et formait une mince couche de couleur dorée qui s'étalait rapidement sur la surface de silicium, ce qui indique la formation d'un contact intime entre le métal et le silicium. Pour former des contacts plus massifs, commodes pour fixer ensuite des conducteurs, la présente invention prévoit au lieu d'utiliser de l'or pur, d'utiliser des eutectiques d'or et d'un dopant classique du silicium, ce qui permet en plus d'assurer la condition d'ohmicité requise à condition de choisir le dopant de même type de conductivité que le silicium sous-jacent.En par ticulier, des essais ont été effectués avec des eutectiques or/antimoine (Au-Sb) et or/gallium (Au-Ga). Comme il s'agit la de températures bien inférieure#- à la température de fusion de l'or (10630C), on peut préparer, 5 des températures qui ne dépassent pas 400 C, des contacts sous forme de billes massives semisphériques fortement liées au silicium sous-jacent. Cette forte adhérence des billes d'or/dopant (Sb ou Ga) sur le silicium est vraisemblablement due à des phénomènes extrêmement complexe. On considère que le dépôt d'or au voisinage de la température de l'eutectique Si-Au est essentiel au procédé de formation de contacts.Il faut aussi noter que le mercure, en plus de sa propriété de dissolution de l'or peur également jouer un autre rôle important : puisqu'il réagit probablement avec l'oxygène et les oxydes de carbone absorbés sur la surface et, ainsi, permet un contact intime entre l'or et le silicium. Il faut souligner que l'approche selon la présente invention de formation d'un contact direct or/silicium sur la base de l'eutectique Si-Au constitue une approche originale car, classiquement, l'or n'adhère pas sur une surface de silicium même sous atmosphère réductrice. On peut considérer que c'est le mercure qui agit comme agent mouillant et facilite cette création d'eutectique. On va décrire ci-après une suite d'exprériences constituant des exemples pratiques de mise en oeuvre de la présente invention sur des tranches de silicium nues. Il est toutefois entendu que la présente invention peut également s'appliquer à des tranches de silicium ayant subi des traitements divers pour comporter des circuits intégrés, des ouvertures étant prévues en certains points des couches de protection de ces circuits pour atteindre des couches de silicium dopées sous-jacentes. Dans une première étape, les tranches de silicium sont dégraissées sous ultrasons, dans des bains successifs de trichloréthilène, d'acétone et de méthanol à une température d'environ 600C. Dans une deuxième étape, les échantillons ont été attaqués par de l'acide fluorhydrique puis rincés dans du méthanol et stockés dans du méthanol. Dans une troisième étape, la position des contacts a été fixée par un masque constitué d'une lame de microscope en verre munie de trous percés par une perceuse à ultrasons. Les trous ont servi à maintenir les matériaux de contact aux emplacements désirés après positionnement du masque sur la surface de silicium. De nombreux autres masques pourraient être utilisés en pratique, par exemple des masques constitués de couches déposées sur le silicium et gravées aux endroits appropriés. Dans une quatrième étape, les matériaux de contact selon l'invention ont été préparés, à savoir un mélange de mercure, d'or et d'un dopant tel que Sb ou Ga. La façon dont est manipulé et préparé ce mélange sera exposée ci-après. Ce mélange a ensuite été déposé dans les ouvertures susmentionnées de la plaque de verre toujours revêtue d'une mince couche de méthanol. Enfin, dans une dernière étape, l'ensemble a été disposé dans un four permettant une observation optique sous atmosphère contrôlée et muni d'un détecteur de température. Après une purge initiale du système pour éliminer notamment les vapeurs d'eau, l'air et les vapeurs de méthanol, la température du four a été élevée à environ 200 C. Près de cette température il apparait que l'or et les eutectiques or/dopant se disolvent rapidement dans le mercure. La température est alors lentement augmentée jusqu'à environ 27O0C, phase pendant laquelle le mercure 5'évapore. Enfin, la température a été portée à une valeur voisine d'environ 4000C puis maintenue pendant quelques minutes a cette valeur. Pendant cette étape, le matériau de contact est liquide et forme des billes sphériques régulières qui adhèrent de façon visible au substrat. Deux procédés différents ont été utilisés pour préparer le mélange de formation de contacts. Dans un premier cas, pour une formation de contacts sur du silicium de type N et avec comme dopant de l'antimoine, on a utilisé comme composant initial du mercure, du fil d'or et des granulés solides d'eutectique Au-Sb. Une petite longueur de fil d'or très mince d'un diamètre d'environ 25 microns, a été conformée pour présenter à une extrèmité une boucle d'un diamètre d'environ 1 mm. Cette boucle a été plongée dans le bain de mercure d'où il résulte qu'une goutte de mercure adhère à l'or. Cette goutte a été placée dans un trou de la lame de verre précédemment définie et quelques granulés d'eutectique Au-Sb ont été saupoudrés sur l'ensemble. Les courbes expérimentales ont montré que les billes hémisphériques obtenues à la fin du traitement présentaient une excellente caractéristique d'ohmicité. Dans un deuxième cas, pour l'établissement d'un contact sur du silicium de type P, avec comme dopant du gallium, au lieu de partir d'un eutectique Au-Ga, on est parti de poudre d'or pour former de petits granulés d'or revêtus de gallium par trempage dans du gallium liquide à une température de l'ordre de 400C. Ces granulés ayant été ensuite saupoudrés sur des gouttes de mercure disposées sur les ouvertures d'un masque tel que défini précédemment, et de l'or a été rajouté. Ces manipulations pourraient être simplifiées par l'utilisation des mélanges eutectiques préparés à l'avance pour chaque type de matériau. Bien entendu, ces procédés de saupoudrage tels qu'exposés précédemment conviennent bien à la réalisation d'un contact unique avec une observation optique continue de l'évolution du phénomène mais s'adapte mal à la formation simultanée de plusieurs contacts en raison de la non-homogénéité de composition du mélange. Dans des applications industrielles, dans lesquelles de nombreux contacts sont formés simultanément, il conviendra de contrôler soigneusement l'homogénéité des mélanges formés au niveau de chaque contact. Bien entendu, comme cela est classique, on prendra toutes les précautions nécessaires pour éviter la diffusion dans l'atmosphère du mercure gazeux qui constitue un poison et entraîne des risques quant à la santé des opérateurs. Ces précautions sont bien connues et consistent notamment à prévoir divers barbotages ou passages dans des pièges à azote liquide du coté aspiration des fours de traitement. Parmi les avantages de la présente invention, on soulignera sa simplicité, la faible température de mise en oeuvre qui ne provoque aucune diffusion des dopants éventuellement contenus dans la plaquette de silicium et la forme hémisphérique des contacts obtenus. Cette forme se prête bien à la soudure de fils mais aussi à certains modes de montage par pression et n'est habituellement obtenue que par une succession d'étapes. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de contacts ohmiques sur du silicium caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - déposer en des points choisis de la surface du silicium un mélange d'or, de mercure et d'un dopant du même type de conductivité que le silicium et dont l'eutectique avec l'or fond à une température inférieure à 4O00C, - chauffer lentement entre environ 2000C et une température légèrement supérieure à ladite température inférieure à 4000C. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le silicium est de type N et le dopant est de l'antimoine, caractérisé en ce que le mélange est formé à partir de mercure, d'un eutectique Au-Sb et éventuellement d'or. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le silicium est de type P et le dopant est du gallium, caractérisé en ce que le mélange est formé à partir de mercure, d'or revêtu de gallium et éventuellement d'or.