Procédé de réalisation de résistance en couche mince, et résistance obtenue par ce procédé

Abstract

 L'invention concerne les résistances en couche mince, de valeurs élevées, déposées sur des substrats de circuits Intégrés ou de circuits hybrides hyperfréquences.
Le procédé selon l'invention utilise comme matériau de départ un siliciure métallique, de forme générale M_x Siy ou M_x M'_x. M"_x. Siy. Le siliciure métallique est nitruré, dans l'appareil de pulvérisation par un plasma d'azote dans l'argon. Le dépôt obtenu comporte un mélange de métal, résistif, et de nitrure de silicium Si_a N_b, isolant. La concentration d'azote dans l'argon, les proportions de métal (x) et de silicium (y) dans le siliciure et de la densité de puissance de la source d'évaporation, en réglant l'activité du plasma, permettent de régler la résistivité de la couche mince.
Application aux circuits intégrés (Si, Ga As) et aux circuits hybrides hyperfréquences, sur A1₂ 0₃ ou Be 0.

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé de réalisation de résistances de valeurs élevées, en couche mince, obtenues par pulvérisation. Ces résistances sont destinées plus particulièrement à la fabrication de circuits intégrés, sur substrat tel que le silicium ou les matériaux du groupe III-V comme le GaAs, ou à la fabrication de circuits hybrides, notamment en hyperfréquence, sur des substrats tels que l'alumine ou l'oxyde de béryllium. Le procédé de réalisation selon l'invention permet de déposer sur ces substrats des résistances dont la valeur est élevée dans une grande gamme de valeurs.

[0002] Les résistances en couche mince sont généralement obtenues par dépôt d'un métal ou d'un mélange de métaux, sous vide, le ou les constituants déposés ayant en soi des résistivités élevées : la résistivité de la couche mince obtenue est voisine de la résistivité du métal ou du mélange de métaux, alliage ou eutectique, car il n'y a pas de modification chimique du matériau de départ au cours du dépôt de la couche mince. La gamme de résistivité est en conséquence limitée par les conditions physiques du dépôt, et par l'épaisseur de la couche réalisée.

[0003] Selon l'invention une très large gamme de résistivité est obtenue, pour un même matériau, en utilisant comme matériau de départ un siliciure métallique qui est plus ou moins nitruré au cours de l'opération de dépôt de la couche mince, en présence d'un plasma, une partie d'azote dans l'argon. Le dépôt obtenu contient un métal mélangé à un nitrure de silicium de formule générale Si_aN_b, qui est un diélectrique, c'est-à-dire un isolant, dont la proportion dans le mélange et la composition -les indices a et b- sont en relation directe avec la proportion d'azote dans le plasma. Par conséquent, modifier un seul paramètre des conditions de dépôt, c'est-à-dire la pression d'azote dans le plasma, permet de régler la résistivité de la couche résistive déposée : l'alliage Si _aN_b dilue le métal.

[0004] De façon plus précise l'invention concerne un procédé de réalisation de résistances en couche mince, déposées sur un substrat de circuit intégré ou de circuit hybride, en appareil de pulvérisation, caractérisé en ce que le matériau de départ est un siliciure métallique, et en ce qu'un plasma d'azote dans l'argon est introduit dans l'appareil de pulvérisation, l'azote nitrurant le siliciure métallique pour donner un dépôt comportant au moins un métal mélangé à un alliage de nitrure de silicium de formule générale (Si_aN_b)M.

[0005] L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée qui en suit, appuyée par une comparaison avec le rappel d'un procédé connu de réalisation de résistances en couche mince.

[0006] Les résistances en couche mince, sur circuit, intégré ou circuit hybride hyperfréquences, sont actuellement et généralement obtenues par dépôt d'un métal ou d'un mélange de métaux déposés par pulvérisation cathodique, réactive ou non réactive. Les métaux choisis pour réaliser des résistances sont eux mêmes des métaux qui sont de mauvais conducteurs électriques : par exemple le nickel n'a pas une bonne conductivité, de même que le chrome, et l'alliage nickel-chrome est couramment utilisé pour faire des résistances. La résistivité des couches ainsi réalisées est voisine de la résistivité du matériau massif car il n'y a pas de modificaion chimique du matériau de départ. Dans ces conditions, la résistivité des couches minces dépend essentiellement des conditions de réalisation du dépôt, ces conditions pouvant faire varier légèrement la résistivité. Elle dépend par exemple :

- de la pression résiduelle d'oxygène ou de vapeur d'eau dans l'enceinte de métallisation, pendant le dépôt de métaux réactifs avec l'oxygène et la vapeur d'eau, tels que Ti, Cr, Al... etc. Cette pression résiduelle n'est pas contrôlée et correspond à la pression partielle d'air dans une enceinte à 10^-2 torr.

- de la pression partielle d'azote pendant la pulvérisation d'éléments simples tels que Ta, Ti, Al... etc. Cette pression partielle d'azote correspond également à une pression résiduelle d'air et la quantité d'azote présente dans l'enceinte de métallisation n'est pas suffisante pour créer une nitruration des métaux déposés sous vide.

- de la vitesse de dépôt, de la puissance de la source qui évapore les métaux pour les déposer sous vide.

- de la composition des mélanges déposé?.

[0007] Dans tous les cas, jusqu'à présent, la résistivité de la couche métallique obtenue est toujours légèrement supérieure à celle du matériau massif, à cause des pollutions par oxygène par exemple qui oxyde les métaux pendant le dépôt. Ainsi la gamme de résistivité possible selon cette méthode de dépôt est assez faible.

[0008] S'il est nécessaire de réaliser des couches de résistivité contrôlée plus importante, telles que par exemple p7 100µΩ/cm, on utilise alors le plus souvent des matériaux tels que les "CERMETS" qui sont des mélanges NiCr/SiO. La gamme de résistivité souhaitée est alors fonction du choix du rapport des quantités respectives de NiCr, qui est conducteur de l'électricité, bien que résistif, et de SiO qui est un isolant.

[0009] Mais il se présente des cas d'applications spécifiques nécessitant des résistances de très fortes valeurs et permettant de dissiper une certaine puissance, toute chose étant égale par ailleurs puisqu'il s'agit de circuit intégré ou de circuit hybride hyperfréquence. Pour obtenir de telles résistances de très fortes valeurs, il n'est pas permis de diminuer par trop l'épaisseur de la couche, ce qui augmente la résistivité de la bande résistive, car il est nécessaire de respecter les limites supérieures de densité de courant. Dans ces cas on est obligé d'utiliser des couches ayant une résistivité très élevée, par exemple en déposant des mélanges de métaux pollués avec de l'oxygène qui forme des oxydes.

[0010] On constate donc que dans l'art connu il est difficile d'avoir pour un même matériau de départ une gamme de résistivité qui soit étendue. Ainsi s'il est nécessaire de déposer différentes résistances sur un circuit hybride, ayant des valeurs assez différentes entre elles, il devient alors obligatoire d'avoir recours à différentes technologies, imposées selon la valeur des résistances.

[0011] Le procédé selon l'invention permet de réaliser des résistances en couches minces dans une grande gamme de résistivité, en modifiant un seul paramètre des conditions de dépôt. Selon l'invention, on utilise un composé métallique, que l'on modifie chimiquement au cours du dépôt : en faisant varier la pression d'azote dans un plasma d'argon pendant le dépôt de la couche résistive, on nitrure plus ou moins ce composé métallique. Le dépôt est alors constitué d'un métal, qui est conducteur, et d'un nitrure de silicium Si_aN_b, qui est un diélectrique. Le mélange dans des proportions variables de métal et de nitrure de silicium permet de faire varier la résistivité de la couche. L'azote est le composé le plus commode à utiliser, mais d'autres molécules réactives telles que l'oxygène peuvent être utilisées pour modifier chimiquement la composition de la couche mince déposée.

[0012] Les composés utilisables dans le cadre de cette invention sont des siliciures métalliques. Ils forment parfois des mélanges bien définis ayant une formule générale MSi2, c'est-à-dire qu'ils sont constitués de deux atomes de silicium liés à un atome de métal M. Les composés définis les plus connus et usuels sont TaSi2, MoSi2, WSi2, TiSi2, qui sont stables sur silicium, et par conséquent ne réagissent pas avec le substrat d'un circuit intégré si celui-ci est en silicium. Ces composés sont considérés comme des conducteurs, mais ils deviennent résistifs par nitruration.

[0013] L'invention peut aussi utiliser tout composé siliciure, sans restriction sur la composition, tel que M Si , dans lequel le rapport x/y définit la gamme de résistivité choisie.

[0014] Enfin et de façon plus générale, l'invention peut utiliser des siliciures poly-métalliques, de formule M M'_x, M"_x" Siy. L'ajustement de la valeur de la résistivité est obtenue par le choix de la concentration de l'azote dans le mélange argon azote pendant le dépôt de siliciure par pulvérisation cathodique réactive. En effet la quantité plus ou moins grande d'azote dans le mélange gazeux nitrure plus ou moins le siliciure pendant le dépôt. On obtient ainsi un dépôt amorphe comportant un métal mélangé à une certaine quantité de nitrure de silicium. Plus la quantité de nitrure de silicium est importante, plus le dépôt présente une résistivité importante. Ainsi en ajustant le rapport x/y, dans un mélange de formules M_x Si_y on peut réaliser, suivant la méthode de l'invention, des couches minces ayant une résistivité faible ou plus importante, jusqu'à des valeurs élevées. Dans l'exemple M_x Si_y si y→0, P ≃ 10^-4 Ω.cm et au contraire si x→0, P ≃ 10¹² Ω.cm, puisque dans ce cas on tend vers une limite SiN qui est un diélectrique.

[0015] Le procédé a été mis en oeuvre avec un composé qui est donné à titre d'exemple : Wx Ti_z Si_y dans lequel x = 0,3, z = 0,7, y = 0,8. Les couches déposées par pulvérisation cathodique réactive sur une cible en présence d'un plasma d'azote et d'argon, présentent une résistivité qui varie de 2.10^-4 Ω.cm à 3,5.10^-2Ω.cm pour une concentration d'azote qui varie de 0 à 50 % dans l'argon. La variation de la résistivité avec la teneur en azote dans l'argon est donnée par le tableau ci-dessous :

[0016] La gamme de résistivité peut être encore élargie pour un même composé de départ, par augmentation de la densité de puissance, dans l'appareil de métallisation sous vide : l'augmentation de la densité de puissance augmente l'ionisation du plasma ce qui augmente la nitruration du siliciure métallique.

[0017] L'invention, simple à mettre en oeuvre, est essentiellement utilisée dans la réalisation de circuits intégrés ou de circuits hybrides, surtout dans le domaine des hyperfréquences, sur des substrats de type GaAs ou alumine et oxyde de béryllium. Elle concerne également des résistances en composants discrets, sur substrats céramiques.

Revendications

1. Procédé de réalisation de résistances en couche mince, déposées sur un substrat de circuit intégré ou de circuit hybride, en appareil de pulvérisation, caractérisé en ce que le matériau de départ est un siliciure métallique, et en ce qu'un plasma d'azote dans l'argon est introduit dans l'appareil de pulvérisation, l'azote nitrurant le siliciure métallique pour donner un dépôt comportant au moins un métal mélangé à un alliage de nitrure de silicium de formule générale (Si_aN_b)^M.

2. Procédé de réalisation de résistances selon la revendication 1, caractérisé en ce que le siliciure métallique est un composé défini de forme M Si₂, tel que Ta Si₂, Mo Si₂, W Si₂, Ti Si₂.

3. Procédé de réalisation de résistances selon la revendication 1, caractérisé en ce que le siliciure métallique est un mélange de forme M_x Si_y monométallique.

4. Procédé de réalisation de résistances selon la revendication 1, caractérisé en ce que le siliciure métallique est un mélange de forme M_x M'_x' M"_x" Siy , polymétallique.

5. Procédé de réalisation de résistances, selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le rapport métal (x)/ silicium (y) définit la gamme de résistivité de la couche mince déposée.

6. Procédé de réalisation de résistances selon la revendicaton 1, caractérisé en ce que la concentration d'azote dans l'argon, dans l'appareil de pulvérisation, ajuste la résistivité de la couche mince déposée, la résistivité étant en relation directe avec la nitruration du siliciure métallique, laquelle est en relation directe avec la concentration d'azote dans le plasma.

7. Résistance en couche mince, de valeur élevée (P>100µΩ.cm), déposée sur un substrat semiconducteur tel que Si ou GaAs, ou isolant tel que Al₂ O₃ ou BeO, caractérisée en ce qu'elle comporte un mélange d'au moins un métal M et d'alliage de nitrure de silicium Si_aN_b, obtenu par nitruration d'un siliciure métallique, selon le procédé de l'une quelconque des revendications là 6.