Brevet FR2651372A1 — publié le 19910301

La présente invention concerne un composant semiconducteur de puissance à double métallisation d'aluminium, ainsi qu'un procédé de métallisation d'un tel composant. Il est connu, par exemple d'après le brevet FR-2 545 654, de recouvrir une face d'un composant de puissance avec deux couches de métallisation superposées, mais isolées l'un de l'autre, afin de réaliser des électrodes et de ménager les aires de contact nécessaires. La topographie spécifique du composant se traduit par une partition des couches de métallisation, ce qui suppose une isolation horizontale de chacune d'elles, s'ajoutant à l'isolation verticale entre elles. Il est souhaitable de réaliser dans ce composant une double métallisation avec une isolation fiable et résistant aux contraintes qu'entraîne notamment la prise de contact. Le document J. Electrochem. Society, Solid State Science and Technology, 11/75, p. 1508-1516, décrit un procédé d'anodisation qui permet d'obtenir pour des circuits intégrés du genre LSI une bonne planéité des divers niveaux d'interconnexion horizontale. Selon ce procédé, on forme par oxydation anodique partielle d'une couche d'aluminium (constituant un niveau d'interconnexion) une couche diélectrique d'alumine compacte. Pour éviter la formation d'alumine poreuse jugée néfaste, l'oxydation anodique s'effectue dans un bain d'acide oxalique. La Demanderesse a constaté que, dans un semiconducteur de puissance, la couche diélectrique ainsi obtenue n'offre pas une rigidité mécanique suffisante, notamment dans les phases d'assemblage ou de prise de contact. D'après le brevet FR-2 011 079, on sait métalliser un circuit intégré en créant par anodisation une couche d'alumine compacte à partir d'une couche d'aluminium formée sur le substrat du circuit intégré. Après une première anodisation partielle et sélective, on procède à une deuxième anodisation complète pour transformer en alumine poreuse l'aluminium non masqué par l'alumine compacte. Le procédé connu mentionne la formation d'alumine poreuse comme moyen de remplissage entre deux niveaux successifs d'interconnexion mais préfère utiliser l'alumine compacte pour assurer l'isolation entre les métallisations successives. L'invention a notamment pour but de doter un composant semiconducteur de puissance revêtu d'au moins deux nappes de métallisation en aluminium d'une couche diélectrique assurant une isolation satisfaisante entre les nappes, même après assemblage pressé ou prise de contact sur la nappe de métallisation qui surmonte la couche diélectrique. L'invention vise aussi à faciliter la gravure de l'alumine dans de tels composants. Elle vise enfin à simplifier le processus de métallisation de composants semiconducteurs de puissance à double nappe d'aluminium nécessitant une isolation horizontale. Elle concerne un composant semiconducteur de puissance à double métallisation, du type comportant sur un substrat semiconducteur - une première et une deuxième nappes d'aluminium superposées et reliées à une électrode de commande et à une électrode de puissance, la nappe inférieure étant en contact ohmique avec des zones convenablement dopées du substrat, - les deux nappes d'aluminium étant séparées par une couche diélectrique en alumine, cette couche d'alumine étant formée par oxydation anodique de la nappe inférieure d'aluminium. Selon l'invention, la couche diélectrique est une couche mécaniquement résistante d'alumine poreuse formée par oxydation anodique d'une partie de l'épaisseur de la nappe inférieure, l'épaisseur de la couche d'alumine poreuse assurant l'isolation verticale entre la partie restante de la nappe inférieure et la nappe supérieure. L'alumine poreuse ainsi créée génère une isolation étonnamment satisfaisante entre les deux électrodes, tout en présentant une rigidité mécanique qui évite les fissurations lors de l'assemblage du composant ou de la soudure des prises de contact. La couche d'alumine poreuse peut avantageusement être recouverte dans certains cas d'une couche diélectrique complémentaire déposée à basse température, cette couche avant une épaisseur inférieure à celle de la couche d'alumine poreuse. De plus, la formation d'alumine poreuse entre les deux nappes d'aluminium se prête particulièrement bien à la réalisation de zones d'isolation horizontale en alumine poreuse entre des régions adjacentes de la première nappe d'aluminium, la surface de ces zones étant coplanaire à la surface de la couche d'isolation verticale. L'invention concerne aussi le procédé de métallisation du composant défini ci-dessus. D'autres aspects, buts et avantages apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention en regard des dessins. Les figures 1 à 9 sont les coupes d'une tranche de silicium, dans les différentes phases de fabrication sur cette tranche d'un semiconducteur de puissance selon l'invention. Le substrat semiconducteur 10 est en silicium, une couche d'oxyde de silicium 11 étant formée sur la surface principale S du substrat (figure 1). On ouvre par photogravure dans la couche d'oxyde 11 des ouvertures qui permettront à la métallisation qui va ensuite être déposée de prendre contact avec diverses régions du substrat. Ces ouvertures 01 et les régions du substrat de divers types de conductivité ne seront pas davantage illustrées car elles ne sont pas essentielles pour comprendre l'invention. On forme par tout mode de dépôt habituel une première nappe d'aluminium 12 d'épaisseur hi sur la couche d'oxyde (niveau S1) et sur les ouvertures 01 (niveau S) (figure 2). On procède ensuite à une première oxydation anodique de la nappe d'aluminium 12. Cette oxydation n'est que partielle sur l'épaisseur de la nappe 12, de manière à obtenir une couche d'alumine poreuse 13 d'épaisseur h2 et à laisser subsister une couche résiduelle d'aluminium 12a d'épaisseur h'i Après nettoyage et dépôt d'une couche de résine 14 (figure 4), on définit dans cette couche par photogravure des zones qui correspondent à une isolation horizontale souhaitée pour le composant entre deux régions de la nappe d'aluminium 12a destinées à constituer des électrodes portées à des potentiels différents. Puis à l'aide des zones ainsi définies, on grave dans la couche d'alumine des ouvertures 02. Cette gravure est effectuée au moyen d'un bain attaquant l'alumine, mais n'attaquant pas l'aluminium, par exemple un bain d'acide phosphorique et d'oxyde de chrome ou. autre agent de gravure équivalent (figure 5). La couche d'aluminium 12a qui apparaît alors dans les fenêtres 02 subit ensuite une deuxième oxydation anodique, dans toute son épaisseur h'l, pour engendrer une région 15 d'isolation horizontale en alumine poreuse d'épaisseur h3 Cette deuxième oxydation anodique a lieu dans un bain d'acide sulfurique concentré, avec une densité de courant de 15mA/cm2; le passage du courant est maintenu jusqu'à l'obtention d'une brusque augmentation du potentiel interélectrodes, puis on applique pendant une durée déterminée un potentiel constant supérieur à la tension d'isolation recherchée entre les deux nappes de métallisation. Il convient d'observer que l'on peut avantageusement déterminer l'épaisseur h2 de la couche diélectrique 13 pour obtenir une épaisseur voulue h'l de la partie restante 12a de la première nappe d'aluminium et pour parvenir à une bonne planéité de l'ensemble de la surface S2 d'alumine après la deuxième étape d'oxydation anodique.En effet, comme h3 = l,5.h'i, on déduit facilement des égalités ha = h2 + h'l et h2 = 1,5.(hui que que h2 = 0,5.h'. Par exemple, avec h'l = 1,5pu, hz = 0,75pm, hi = 2pm, ha = 2,25ut. De préférence, l'épaisseur h2 de la couche d'alumine poreuse est supérieure à 0,5pu. Après enlèvement du reste de la résine 14 puis nettoyage, on dépose sur la surface S2 d'alumine poreuse une couche diélectrique complémentaire 16 (figure 7). Cette couche 16 est déposée à basse température, c'est-à-dire à température inférieure à environ 4500C, et peut consister en un oxyde de silicium (LTO), un nitrure de silicium ou un polyimide, déposé par exemple en phase vapeur par le procédé dit PECVD. L'adjonction de cette couche n'est pas strictement nécessaire; toutefois, dans certains cas, elle permet avantageusement d'améliorer le rendement de fabrication par une meilleure qualité de l'isolation verticale, par suite de la non-coïncidence des défauts des couches 13, 16 et du remplissage des pores de la couche 13. L'épaisseur h4 de la couche 16 est de 0,2 à 0,5pu, de préférence environ 0,3pm. On définit ensuite, par apport de résine photosensible et photogravure, des ouvertures 03 dans la couche diélectrique complémentaire 16 et dans la couche d'alumine poreuse 13 (figure 8) La gravure du diélectrique 16 s'effectue par voie humide ou sèche et la gravure de l'alumine poreuse 13 s'effectue par voie humide. On dépose une deuxième nappe d'aluminium 17 sur la surface S3 de la couche 16; cette nappe remplit les ouvertures 03 de manière à établir un contact ohmique avec la première nappe 12a (figure 9). Puis on définit la géométrie de la deuxième nappe par photogravure. Les autres phases du processus de fabrication passivation, prises de contact sur la deuxième nappe, création d'éléments de protection périphérique..., ne seront pas décrites en détail car elles ne concernent pas l'invention. REVENDICATIONS 1. Composant semiconducteur de puissance à double métallisation, du type comportant sur un substrat semiconducteur (10) - une première et une deuxième nappes d'aluminium (12, 17) superposées et reliées à une électrode de commande et à une électrode de puissance, la nappe inférieure (12) étant en contact ohmique avec des zones convenablement dopées du substrat, - les deux nappes d'aluminium étant séparées par une couche diélectrique (13) en alumine, cette couche d'alumine étant formée par oxydation anodique de la nappe inférieure d'aluminium (12), caractérisé par le fait que - la couche diélectrique (13) est une couche mécaniquement résistante d'alumine poreuse formée par oxydation anodique d'une partie de l'épaisseur (hui) de la nappe inférieure d'aluminium, l'épaisseur (h2) de la couche d'alumine poreuse assurant l'isolation verticale entre la partie restante (12a) de la nappe inférieure (12) et la nappe supérieure (17) d'aluminium. 2. Composant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que - la couche (13) d'alumine poreuse est recouverte d'une couche diélectrique complémentaire (16) déposée à basse température, et - l'épaisseur (h4) de la couche complémentaire est inférieure à celle (h2) de la couche d'alumine poreuse. 3. Composant selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'épaisseur (h2) de la couche d'alumine poreuse est supérieure à 0,5pu. 4. Composant selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que - des zones (15) d'isolation horizontale sont prévues entre deux régions de la première nappe d'aluminium (12a), et - les zones (15) d'isolation horizontale sont en alumine poreuse, l'épaisseur (h'l) de la première nappe d'aluminium (12a) et l'épaisseur (hz) de la couche d'isolation verticale (13) étant déterminées pour obtenir une bonne planéité de cette couche et des zones d'isolation horizontale. 5. Procédé de métallisation d'un composant semiconducteur de puissance comprenant un substrat semiconducteur (10) muni de zones convenablement dopées et deux nappes d'aluminium (12, 17) en contact ohmique avec lesdites zones et reliées à une électrode de commande et à une électrode de puissance, le procédé étant caractérisé par les étapes suivantes - on dépose une première nappe d'aluminium (12) sur une couche d'oxyde mince formée sur le substrat (10), - on oxyde par voie anodique en milieu sulfurique une partie de l'épaisseur (hi) de la première nappe d'aluminium dans des conditions permettant de former une couche d'alumine poreuse (13), - on ménage par photogravure dans la couche d'alumine poreuse des ouvertures (03) de liaison inter-métallisations, et - on dépose une deuxième nappe d'aluminium (17) sur la couche d'alumine poreuse (13) et dans les ouvertures de liaison (03). 6. Procédé de métallisation d'un composant semiconducteur de puissance comprenant un substrat semiconducteur (10) muni de zones convenablement dopées et deux nappes d'aluminium (12, 17) en contact ohmique avec lesdites zones et reliées à une électrode de commande et à une électrode de puissance, le procédé étant caractérisé par les étapes suivantes - on dépose une première nappe d'aluminium (12) sur une couche d'oxyde mince formée sur le substrat (10), - on oxyde par voie anodique en milieu sulfurique une partie de l'épaisseur (hi) de la première nappe d'aluminium dans des conditions permettant de produire une couche d'alumine poreuse (13), - on dépose à basse température sur la couche d'alumine poreuse (13) une couche diélectrique complémentaire (16) d'épaisseur (h4) inférieure à celle de la couche d'alumine poreuse, - on ménage par photogravure dans la couche diélectrique complémentaire et dans la couche d'alumine poreuse des ouvertures (03) de liaison inter-métallisations, et - on dépose une deuxième nappe d'aluminium (17) sur la couche diélectrique complémentaire (16) et dans les ouvertures de liaison (03). 7. Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé par le fait que, après l'oxydation anodique de la première nappe d'aluminium (12) - on ménage par photogravure des ouvertures (02) d'isolation horizontale dans la couche d'alumine poreuse (13), - on effectue une deuxième oxydation anodique, en milieu sulfurique et dans les ouvertures (02) d'isolation horizontale, de la totalité de l'épaisseur restante (h') de la première nappe d'aluminium. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'on détermine l'épaisseur (hui) de la première nappe d'aluminium (12) corrélativement à l'épaisseur (h2) de la couche d'isolation verticale (13) pour obtenir une bonne planéité de cette couche et des zones d'isolation horizontale (15). 9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé par le fait que, lors de la deuxième oxydation anodique, on maintient le passage du courant d'anodisation jusqu'à l'obtention d'une brusque augmentation du potentiel d'anodisation, puis on maintient pendant une durée déterminée le potentiel à un niveau constant supérieur à la tension d'isolation recherchée entre les deux nappes de métallisation.