Brevet FR2633454A1 — publié le 19891229

DISPOSITIF D'ACCROCHAGE DE POUTRE SUR UN COMPOSANT SEMICONDUCTEUR ET SON PROCEDE DE FABRICATION. La présente invention concerne un dispositif d'accrochage de poutre sur un composant semiconducteur dont les connexions d'accès extérieures sont constituées par des poutres métalliques, dans le système connu sous son appellation anglaise "beam lead". Selon l'invention, au moins une poutre est fixée, sur la surface supérieure de la pastille de composant au moyen d'un pilier, ou plot, métallique : cette poutre ne repose donc pas directement sur la surface supérieure de la pastille, ce qui diminue la capacité parasite, et rend constante cette capacité pour tous les composants d'un même lot de fabrication. L'invention concerne également le procédé de fabrication. Bien que le système de connexions par poutres soit appliqué å de nombreux types de composants semiconducteurs, fonctionnant dans une vaste gamme de fréquences, l'invention est plus particulièrement orientée et intéressante dans le domaine des composants hyperfréquences - de 1 à 100 GHz par exemple- qui sont le plus souvent réalisés sur des substrats en matériaux III-V semi-lsolants tels que GaAs, GAP .. . . La capacité parasite formée par une poutre métallique, le substrat semi-isolant et une couche semiconductrice peut atteindre, en l'absence de précautions particulières, des valeurs supérieures au double de la capacité de jonction du composant. De plus, cette capacité parasite n'est pas constante, en raison du processus d'amincissement chimique du substrat lorsqu'il s'agit de composants hyperfréquences. Les figures 1 et 2 qui représentent des diodes à poutres selon l'art connu permettront de mieux comprendre ce phénomène de capacités parasites non reproductibles. Ces deux figures sont comparables, mais la première représente une diode à jonction Schottky tandis que la seconde représente une diode PIN, ce qui ne change rien au problème de capacité parasite qui est important essentiellement du coté de la poutre anode. Une diode Schottky à poutres, selon l'art connu, comporte, supporté par un substrat semi-isolant 1, un empilement de couches semiconductrices sur lesquelles est formée une jonction Schottky 2. avec un métal tel que Tl. Le contact d'anode A est pris par une poutre métallique 3, accrochée sur le substrat I: elle est réunie à la jonction Schottky 2 au moyen d'une métallisation 3, qui dans ce cas de figure, forme pont à air. Le contact de cathode K est pris par une poutre métallique 5, réunie par une métallisation 6 à un contact ohmique 7 avec les couches semiconductrices. La transposition à une diode PIN selon la figure 2 est évidente pour l'homme de l'art ~ la poutre 5 de cathode y est accrochée sur la couche IG de l'empilement 8 de couches PIN Il est bien connu que, pour des composants à poutres comportant un substrat semi-isolant, il se forme une capacité parasite Cp entre la poutre d'anode 3, le substrat 1 comme diélectrique et la couche semiconductrice N de l'empilement de couches. Or la fabrication de ces diodes comporte une étape finale qui consiste à amincir le substrat 1, par attaque chimique par la face arrière avant découpe des puces. Une attaque chimique est une opération moins précise qu'un processus physique, en raison de l'attaque latérale, et la puce finale pourra avoir un périmètre variable selon le pointillé 9 si l'attaque chimique est brève, ou selon le pointillé 10 si l'attaque chimique est prolongée. Dans le premier cas, la poutre 3 est mieux accrochée sur le substrat 1, mais la capacité Cp est plus importante dans le deuxième cas, la poutre 3 est moins bien accrochée, mais la capacité Cp est réduite A titre d'exemple, pour une diode dont la capacité de jonction est l0fF, la capacité parasite Cp varie entre 30 et 60 fF, ce qui est considérable par rapport à la capacité de jonction, et de plus n'est pas constant pour un lot de fabrication. Le dispositif d'accrochage de poutre selon l'invention permet d'éliminer ces Inconvénients. Il conduit à une force d'accrochage constante et à une capacité parasite faible et constante pour tout un lot de fabrication. Ces résultats sont obtenus en séparant la poutre d'anode du substrat semi-lsolant: elle ne repose plus directement sur le substrat, mais lui est parallèle et en est espacée, mais elle y est attachée par un pilier métallique, ou plot, dont la trace sur le substrat est éloignée du bord de la puce. Les variations de périmètre de la puce, au cours de la découpe chimique, sont donc sans effet sur la capacité parasite, qui de plus est diminuée parce que la surface de contact du pilier avec le substrat est inférieure à la surface de contact d'une poutre avec le substrat dans l'art connu.A partir du pilier, le contact entre la poutre et le composant semiconducteur est pris soit par une métallisation, soit par un point à air. De façon plus précise, l'invention consiste en un dispositif d'accrochage de poutre sur un composant semiconducteur, dont les connexions d'accès extérieures sont prises par des poutres métalliques et dont le substrat, supportant au moins une couche semiconductrice, est en matériau semi-isolant, caractérisé en ce que au moins une poutre est accrochée sur le substrat semi-isolant au moyen d'un pilier métallique, dont la surface d'accrochage sur le substrat est distante du bord du substrat. L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée qui suit maintenant de deux exemples de réalisations, en conjonction avec les figures jointes en annexes, qui représentent - fig 1 et 2 : diodes à poutres selon l'art connu, qui ont été précédemment exposées, - fig 3 : vue en plan, de dessus, d'un dispositif d'accrochage de poutre selon l'invention, - fig 4 et 5 : vues en coupes du dispositif d'accrochage de poutre selon l'invention, avec pont à air (fig 4) et sans pont à air (fig 5) - fig 6 à 9 ~ premières étapes de fabrication d'un composant muni d'au moins une poutre, communes aux deux cas avec ou sans pont à air, -fig 10 à 13 : étapes finales de fabrication d'un composant muni d'au moins une poutre. sans pont à air, selon l'invention, - fig 14 à 17 . étapes finales de fabrication d'un composant muni d'au moins une poutre, avec pont à air, selon l'invention. L'invention peut être appliquée à de nombreux types de composants semiconducteurs, sur silicium ou sur matériaux III-V, en structure plane ou mésa, avec un nombre quelconque de poutres extérieures. Toutefois, afin de rendre plus claires les explications et les figures, l'invention sera exposée en s'appuyant sur l'exemple d'une diode hyperfréquences Schottky, en GaAs, à structure mésa, ce qui ne limite en rien la portée de l'invention. Dans le même but de simplification, on n'envisagera de pilier que pour une seule poutre : pour un transistor ou un circuit intégré, plusieurs piliers peuvent soutenir autant de poutres. La figure 3 montre la vue en plan, côté diode, d'une diode 2 supportée par un substrat semi-isolant 1, comparable à celle de la figure 1 mais équipée d'un pilier selon l'invention. Les figures 4 et 5, qui sont très simplifiées, permettent de mieux en comprendre la structure. La poutre d'anode 3 est séparée du substrat 1, et lui est parallèle. Toutefois, pour éviter une trop grande fragilité, elle en est solidaire au moyen d'un pilier métallique 11, dont la trace sur le substrat 1 est à une distance "d" du bord de la puce. Ainsi, quels que soient les résultats de l'attaque chimique de la face arrière, l'aire de l'électrode du condensateur parasite Cp est toujours la même, et égale à la section du pilier 11, qui est lui même de plus petites dimensions que la poutre 3. La reprise de contact depuis la poutre 3 jusqu'à la diode 2 se fait par une pièce métallique, qui est soit un pont à air 12 (fig 4), fixé en haut du pilier 11, soit une métallisation 12' (fig 5), qui passe sous le piller 11. Dans le cas de la métallisation 12', sans pont à air, le pilier 11 est au plus près de la diode, pour éviter que la métallisation 12' ne soit longuement en contact avec le substrat 1. Du côté de la cathode, la poutre 5 est fixée sur la métallisation de reprise de contact 6 elle pourrait également être fixée sur un autre pilier. Le dispositif de fixation de poutre par pilier, selon l'invention, apporte un gain important sur la capacité parasite puisque, pour une diode Schottky 94 GHz dont la capacité de jonction est Inférieure à 10 fF, la capacité parasite d'accrochage de poutre n'est plus que de 20 à 40 fF - à rapprocher des 30 à 60 fF selon l'art connu -, typiquement 20-24 fF avec pont à air et 30-34 fF sans pont à air. Les figures 6 à 9 représentent les étapes initiales de réalisation d'une diode Schottky, communes aux deux cas avec et sans pont à air. Elles participent à l'invention en ce sens que l'ordre des opérations Initiale s conditionne la possibilité des opérations spécifiques pour réaliser une poutre sur pilier. Bien que toutes les figures ne représentent qu'une seule diode, il est bien entendu qu'il s'agit là d'un procédé de fabrication collective, sur une tranche entière de GaAs, ou autre matériau. Un substrat 1 en GaAs semi-isolant est épitaxié pour y former une couche 13 de GaAs dopé n et une couche 14 de GaAs dopé n, tel que représenté en figure 6. Il est alors masqué -figure 7 - et photogravé jusqu'8 atteindre la couche n, à l'emplacement de ce qui sera le contact de cathode. Un dépot 15 d'or-germanlum - nickel dans la photogravure donnera le contact ohmique de cathode. S'il s'agit d'une diode mésa - il est connu que ce sont les plus performantes en hyperfréquences- la mésa est gravée, en figure 8, et la surface libre des couches de GaAs, sensibles aux dégradations est protégée par une couche isolante 16 en nitrure de silicium ou en silice. De nouvelles opérations de masquage et de gravure permettent, en figure 9, de dégager le substrat 1 de la couche isolante 16 qui le recouvre, et d'ouvrir un contact 17 d'anode, sur la couche n 14, dans lequel du titane assure un contact Schottky. La réalisation d'une diode sans pont à air va maintenant être exposée avec l'aide des figures 10 à 13. Dans l'état de la figure 9, le contact ohmique 15 est recouvert par la couche Isolante 16 une première gravure permet de dégager ce contact 15. Une couche métallique 18, constituée par 0,05 r de titane, O,lvu de platine et 0,5r d'or est déposée sur toute la structure puis gravée au moyen d'un masque de reprise de contacts pour aboutir à l'état de la figure 10. La couche 18 y est, après gravure, séparée en deux métallisations qui correspondent aux métallisations 6 et 12' des figures 3 et 5. Chacune des parties subsistantes de la couche 18 s'étend, sur le substrat 1, sur une distance juste suffisante pour y accrocher le pilier et une poutre, mais est interrompue à une distance "d"' de ce qui sera le bord de la puce, après l'opération finale de découpe. La structure est alors recouverte d'une couche de résine épaisse 19 qui est ensuite gravée avec un second masque qui découvre l'embase du futur pilier et les surfaces "accrochages des deux futures poutres. Une couche d'or 20, pulvérisée par flash, permettra de faire croître les poutres et le pilier : l'épaisseur de la couche de résine 19 est égale à la hauteur du pilier 11. En figure 12, une seconde couche de ' résine 21, d'abord déposée sur toute la structure, est gravée avec un troisième masque reproduisant la forme des poutres. C'est pourquoi sur la figure 12 cette couche 21 n'apparaît en - coupe qu'entre les deux poutres, auxquelles une épaisseur suffisante est donnée par croissance électrolytique à partir du flash d'or 20. Par la même occasion, la reprise de contact 22 qui va de la cathode 15 jusqu'à la poutre 5 est également épaissie, sans inconvénient pour la diode. Enfin, une opération connue sous le nom anglais de "lIft - off n, consistant en la dissolution de la double couche de résine 19 + 21 et en l'élimination consécutive du flash d'or 20 compris entre ces deux couches, permet d'aboutir à la structure de diode selon l'invention, donnée en figure 13. La poutre d'anode 3 est fixée sur le substrat 1 par l'intermédiaire d'un pilier métallique 11 obtenu par recharge électrolytique dans une gravure pratiquée dans la couche épaisse de résine 19. Cette poutre est donc séparée du substrat et lui est parallèle à une distance égale à l'épaisseur de la couche de résine 19. Le contact avec l'anode de titane 17 y est pris par la couche 18 de Ti Pt Au, qui court sur la couche isolante 16. Eventuellement, la tranche de GaAs est amincie par la face arrière pour diminuer l'épaisseur du substrat 1, ce qui facilite la découpe chimique par la face arrière en diodes élémentaires. Le pilier 11 est, par construction, à une distance "d" du bord 23 de la -puce après découpe chimique. Dans tous les cas, la surface métallique du pilier 11 en contact avec le substrat semi-isolant 1, qui participe à la formation d'une capacité parasite, est constante. La réalisation de diodes avec pont à air entre l'anode et la poutre correspondante est très voisine. Elle part d'une structure telle que représentée en figure 9, et ne diffère que par les motifs des masques. Après ouverture de la couche isolante 16 à l'aplomb du contact ohmique 15, une triple couche 18 de titane-platine-or est déposée sur la structure puis gravée avec un premier masque de reprise de contacts. Mais, du côté de l'anode 17, ne subsistent de cette couche 18, après gravure, qu un ilôt 24 sur le contact Schottky 17 et un ilôt 25 d'accrochage de pilier sur le substrat, à une distance "d" du bord 23 de la future puce découpée. Une couche épaisse de résine 19 déposée sur toute la structure est gravée au moyen d'un second masque dont les motifs correspondent à l'embase du futur pilier, aux surfaces d'accrochage des poutres et aux reprises de contacts. En effet, il faut dégager l'clôt 24 de Ti Pt Au pour qu'un pont à air puisse s'appuyer sur le contact Schottky 17. La couche épaisse de résine 19 est donc gravée en 26, à l'aplomb du contact Schottky. Comme dans le cas précédent, l'épaisseur de cette couche de résine est égale à la hauteur du futur pilier métallique 11. Une couche d'or 20, déposée par pulvérisation, permettra la croissance électrolytique des poutres et pont à air. En figure 16, une seconde couche de résine épaisse 21 est déposée puis gravée à travers un troisième masque qui définit les poutres et le pont à air. Sur la coupe de la figure 16, seule apparaît de cette seconde couche de résine 21 la portion qui sépare le pont à air 27 de la connexion 22 entre la cathode 15 et sa poutre 5. Les deux poutres 3 et 5, le pont à air 27, le pilier 11 et la connexion 22 sont obtenus par électrolyse, à partir de la couche d'or 20. Le pont à air prend appui en haut du pilier 11. Enfin, une opération de dissolution des deux couches de résine 19 et 21, par un double "lJft-off", libère la surface de la puce du composant, et en particulier dégage le pont à air 27 et supprime la fine pellicule d'or 21 entre le pont à air 27 et la connexion 22 de cathode. Après amincissement du substrat 1 et découpe de la tranche en diodes élémentaires, par la face arrière, on obtient une diode terminée telle qu'en figure 17. Dans les deux exemples décrits, la connexion 22 de cathode est rechargée électrolytiquement en or : ceci est un perfectionnement qui diminue la résistance d'accès à la diode, mais un composant dont cette connexion est limitée à la couche 18 de Ti Pt Au fait partie du domaine de l'invention. Dans les deux cas, la poutre d'anode 3, ou de façon plus générale au moins une poutre, est accrochée au substrat semi-isolant au moyen d'un pilier métallique 11 dont la trace sur le substrat 1 est éloignée du bord 23 de la puce après découpe chimique par la face arrière. Il s'ensuit que la capacité parasite a toujours la même valeur, commandée par la surface d'accrochage 25 de ce pilier, et est inférieure à la capacité parasite d'une poutre accrochée directement sur le substrat. L'invention est appliquée aux semiconducteurs dont les connexions d'accès sont prises par poutres, plus particulièrement aux composants hyperfréquences tels que les diodes sur silicium ou arséniure de gallium, fonctionnant à 94 GHz . REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'accrochage de poutre sur un composant semiconducteur, dont les connexions d'accès extérieures - sont prises par des poutres métalliques (3,5) et dont le substrat (1), supportant au moins une couche semiconductrice, est en matériau semi-isolant, caractérisé en ce que au moins une poutre (3) est accrochée sur le substrat semi-isolant (1) au moyen d'un pilier métallique (11) dont la surface d'accrochage (25) sur le substrat (1) est distante (d) du bord (23) du substrat (1). 2 - Dispositif d'accrochage selon la revendication 1 caractérisé en ce que la poutre (3) est séparée du substrat (1), auquel elle est parallèle, et éloignée par la hauteur du pilier (11). 3 - Dispositif d'accrochage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface d'accrochage du pilier (11) sur le substrat (1) est inférieure à la surface d'accrochage d'une poutre (5) fixée directement sur le substrat (1). 4 - Dispositif d'accrochage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison électrique entre la poutre (3) et le contact (17) dont elle assure la connexion extérieure se fait au moyen d'une métallisation (18), déposée sur une couche isolante (16), ladite métallisation aboutissant à la base du pilier (11). 5 - Dispositif d'accrochage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison électrique entre la poutre (3) et le contact (17) dont elle assure la connexion extérieure se fait au moyen d'un pont à air (27), métallique, prenant appui à une extrémité sur le haut du pilier (11) et à l'autre extrêmité sur le contact (1?) du composant. 6 - Dispositif d'accrochage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité parasite formée par au moins une couche semiconductrice du dispositif, le substrat semi-isolant (1), et la surface métallique (25) d'accrochage de poutre (3), est diminuée, par la faible section du pilier (11), et est constante. 7 - Procédé de fabrication d'un dispositif d'accrochage de poutre métallique, par un pilier métallique, sur le substrat semi-isolant d'un composant semiconducteur, caractérisé en ce que, à partir d'une structure comportant déjê les couches semiconductrices, les métallisations (15 > 17) de contacts, et une couche isolante (16) gravée pour dégager lesdits contacts (15,17) et une partie du substrat semi-isolant (1), il comporte les étapes suivantes a) dépôt d'une couche métallique (18) et gravure de cette couche, au moyen d'un premier masque de reprise de contacts, dégageant les connexions entre les contacts (15,17) et les futures poutres (3,5), b) application d'une première couche épaisse de résine (19) et gravure de la résine au moyen d'un second masque, dégageant les surfaces d'accrochage des futures poutres (3, 5), suivies du dépôt d'une couche d'or (20) par pulvérisation ou évaporation, c) application d'une deuxième couche épaisse de résine (21) et gravure de ladite couche au moyen d'un troisième masque, dégageant les futures poutres (3,5) et au moins un pilier (11) suivies de la croissance électrolytique du pilier (11) et des poutres (3,5) d) dissolution des restes des deux couches épaisses de résine (19,21), entrainant itélimination des restes de la couche d'or (20) compris entre lesdits restes de résine (19,21) e) éventuellement, amincissement du substrat (1) par la face arrière, f) découpe chimique de chaque composant, par la face arrière. 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, si le composant fabriqué comporte un pont à air (27), le premier masque de reprise de contacts ne conserve de la couche métallique (18), à l'emplacement du pont à air, qu'un plot (24) sur le contact (17) du composant et un plot (25) d'accrochage du pilier sur le substrat, et en ce que le troisième masque dégage une piste entre ces deux plots pour la croissance électrolytique du pont à air (27) simultanément à celle des poutres (3,5) et du pilier (11) 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que l'épaisseur de la première couche de résine (19) est égale à la hauteur du pilier (11) métallique qui accroche une poutre (3) sur le substrat semi-isolant (1).