CH415867A - Circuit semi-conducteur microminiature intégré - Google Patents

Description

  Circuit semi-conducteur     microminiature    intégré    La présente invention a pour objet un circuit  semi-conducteur     microminiature    intégré constitué par  une plaquette semi-conductrice, ladite plaquette ayant  au moins deux éléments de circuit de types diffé  rents isolés au moins partiellement les uns des autres  dans ladite     plaquette    par une zone à impédance  élevée et munis de contacts ohmiques reliés les uns  aux autres.  



  Dans la production de circuits électroniques       microminiatures,    il est connu de former et de doper  un bloc en     silicium,    de manière qu'il soit équivalent  à quatre transistors et à quatre résistances, lesdits  transistors ayant en commun deux zones d'émetteur  et deux zones de collecteur. D'autres résistances et  des condensateurs sont formés directement sur le  bloc en silicium, en prévoyant des couches isolantes  ayant la forme d'un     film,    de sorte que tous les élé  ments constituent ensemble un multivibrateur.

   Dans  ce but, deux jonctions     p-n    sont formées parallèle  ment à la face supérieure et à la face     inférieure    du  bloc en silicium, lesdites jonctions aboutissant aux  faces latérales du bloc. Pour séparer les transistors  et les résistances les uns des autres, on a prévu des  perforations à partir des faces latérales à travers le  bloc, ainsi que différentes entailles, de sorte que les  quatre coins du bloc constituent chacun un trans  istor, dont les zones de collecteur et d'émetteur  sont reliées partiellement par des ponts en     silicium,     qui jouent le rôle des résistances.

   Pour compléter le  circuit, on a     amenagé    des contacts sur les différentes  faces du bloc, y compris les faces latérales, ainsi que  des connexions avec les éléments de circuit formés  par lesdites couches isolantes.  



  Les éléments de circuit de ce multivibrateur  connu sont répartis dans l'espace à trois     dimensions       du bloc en silicium, de sorte que pendant sa fabri  cation et pendant son utilisation toutes les faces du  bloc en silicium     doiven    être accessibles. Pour que  l'usinage des faces latérales, nécessaire pour établir  des entailles et des perforations, puisse être exécuté,  le bloc en silicium doit avoir une hauteur minimum.  Il en est de même pour la fixation des contacts, qui  a lieu en partie sur les faces latérales, car certaines  zones semi-conductrices,     surtout    les zones de base  des transistors, sont accessibles seulement à partir  des faces latérales.

   En outre, les blocs en silicium  doivent rester séparés pendant ces différentes opé  rations, ce qui rend     difficile    leur manutention. Ainsi,  la miniaturisation est limitée et l'emploi de procédés  de fabrication en série est exclu. Le nombre d'opé  rations nécessaires est très élevé. Beaucoup de ces  opérations ne sont pas compatibles, ce qui nécessite  des mesures spéciales. En outre, la résistance mé  canique et électrique est affaiblie par les entailles et  les     perforations    nécessaires.  



  Le dispositif décrit constitue un circuit électro  nique bien déterminé, à savoir un multivibrateur  avec quatre transistors reliés d'une façon déterminée,  et il n'est pas possible sans autre de modifier ce  dispositif de manière qu'il puisse effectuer d'autres  fonctions. Les possibilités d'emploi de ce dispositif  sont donc limitées.  



  Il est en outre connu de former simultanément  un certain nombre de transistors dans un arrange  ment pratiquement plan sur la même face d'une  plaquette semi-conductrice et de séparer ensuite ces  transistors les uns des autres en divisant la plaquette  semi-conductrice. Ce procédé doit faciliter la fabri  cation en série des éléments de circuit identiques.       Il    n'est pas prévu dans ce procédé de connecter des      transistors de manière qu'ils constituent un circuit,  ou de former d'autres éléments de circuit actifs ou  passifs dans une même plaquette semi-conductrice.  



  Le but de l'invention est de fournir un circuit  semi-conducteur du type indiqué auparavant, qui  peut être fabriqué en série au moyen d'un nombre  d'opérations compatibles relativement petit. Le  nombre et le type d'éléments semi-conducteurs de  circuit, que des     connexions    nécessaires pour former  un circuit électronique peuvent être pratiquement       illimités.    En outre, ce circuit a une bonne résistance  mécanique et électrique et son fonctionnement est  sûr malgré ses dimensions très petites.  



  Le dispositif selon     l'invention    est caractérisé à cet  effet en     ce    que tous les éléments d'une unité élec  trique fonctionnelle sont aménagés dans un arrange  ment plat pratiquement à deux dimensions, sur une  même face de la plaquette, au moins partiellement  dans     celle-ci.     



  Ainsi, les opérations nécessaires pour former les  éléments de circuit, les contacts     ohmiques    et les con  nexions d'un circuit peuvent être effectuées prati  quement à la même surface de la plaquette semi  conductrice et il n'est pas nécessaire que les faces  latérales de la plaquette soient accessibles. La manu  tention est ainsi très facilitée. En outre, les mêmes  opérations peuvent être     effectuées        simultanément     pour plusieurs éléments de circuit identiques ou       différents,    de sorte que le nombre d'opérations né  cessaires est fortement réduit.

   L'usinage et le traite  ment d'un nombre plus grand de plaquettes semi  conductrices liées, à partir d'une seule surface de  travail, sont surtout avantageux, lorsqu'il s'agit d'une  fabrication en série très précise, d'une bonne repro  duction et d'une faible rebut.  



  Le dessin ci-annexé représente, à titre d'exemple,  deux formes     d'exécuton    de l'objet de l'invention et  sept éléments constitutifs possibles de formes d'exé  cution semblables.  



  Les     fig.    1 à 5a représentent schématiquement les  dits éléments :  la     fig.    6a représente schématiquement un circuit  multivibrateur constituant la première forme d'exé  cution de l'objet de l'invention ;  la     fig.   <I>6b</I> est. un schéma du circuit multivibrateur  de la     fig.    6a ;  la     fig.7    représente le schéma du circuit     multi-          vibrateur    de la     fig.   <I>6a</I> sous forme plus habituelle ;  la     fig.    8a représente schématiquement un oscilla  teur     R-C    constituant la deuxième forme d'exécution;

    la     fig.    8b est un schéma du circuit oscillateur de  la     fig.    8a avec les éléments disposés de la même fa  çon que dans la     fig.    8a, et  la     fig.    8c montre le même schéma, sous la forme  habituelle.  



  La résistance :selon la     fig.    1 comprend une masse  d'un. corps semi-conducteur 10 ayant .une conduc-         tivité    de type n ou p. Des contacts ohmiques 11 et  12 sont formés sur une surface du corps 10 et sont  écartés l'un de l'autre suffisamment pour obtenir  la résistance voulue. Comme on le sait, les con  nexions ohmiques présentent une résistance symé  trique et linéaire nu passage du courant dans toute  direction possible. Si deux résistances doivent être  connectées entre elles, il n'est pas toujours néces  saire de prévoir des bornes séparées pour le point  commun.

   La résistance peut être calculée par la for  mule  R     _N        o        L/A     où L est la longueur utile en     centimères,    A est la  section transversale et     P    est la résistivité en ohms  centimètre de la matière semi-conductrice.  



  La résistance selon la     fig.    la comprend un corps  10a en une matière semi-conductrice de type p et en  outre une région 10b de type n. Il y a évidemment  une jonction     p-n    portant la référence 13, entre le  corps 10a et la région 10b. Des contacts l la et 12a,       suffisamment    écartés l'un de l'autre pour obtenir la  résistance voulue, sont formés sur une surface de  la région 10b. Comme à la     fig.    1, les contacts     lla     et     l2a    constituent des     contacts    ohmiques par rapport  à la région 10b.

   Une résistance réalisée comme re  présenté à la     fig.    la présente plusieurs avantages     im-          portants.    Tout d'abord, la jonction     p-n    13 constitue  une barrière s'opposant au passage du courant de  la région     10b    de type n vers le corps     l0a    de type p  et, par conséquent, le passage du courant est limité  à un chemin     confié    à la région 10b de type n dis  posée entre les deux contacts. Le second avantage  réside en ce que la résistance totale de ce dispositif  peut être modifié dans une large mesure.

   Elle peut  l'être par une attaque chimique légère de la sur  face entière de façon à enlever la partie tout à fait  supérieure de la région 10b de type n, tout en fai  sant bien attention de ne pas attaquer la jonction       p-n,   <I>et</I> aussi par une attaque chimique sélective par  tielle ou tout en profondeur de la jonction     p-n    13  de façon à augmenter en pratique la longueur du  chemin parcouru par le courant entre les deux con  tacts. Le troisième avantage, peut-être le plus im  portant, d'une résistance construite comme à la       fig.    la est de donner à la résistance des coefficients  de température plus faibles et plus constants en  réglant le degré de dotation ou de concentration en  impuretés de la région 10b de type n.

   On a donc  dans ce cas un corps     l0a    de type p avec une région  lob de type n, mais il va de soi que le corps 10a  pourrait tout aussi bien avoir une conductivité de  type n avec une région 10b ayant une conductivité  de type p.  



  Comme représenté à la     fig.2,    un condensateur  peut être réalisé en utilisant la capacité d'une jonc  tion     p-n    prévue entre une plaquette semi-conductrice  15 ayant une conductivité de type p et une couche  16 de type n obtenue par     diffusion.    Des contacts  ohmiques 17 sont formés sur des faces opposées de      .la plaquette 15. La capacité d'une jonction obtenue  par diffusion est donnée par la formule  
EMI0003.0001     
    où A est la superficie de la jonction en     cm2,        e    est  la constante diélectrique,     Q    est la charge électrique  et a est le gradient de densité en impureté, V étant  la tension appliquée.  



  Des condensateurs construits comme représenté à  la     fig.    2 sont aussi des diodes et doivent donc être  convenablement polarisés dans le circuit. Des con  densateurs ne nécessitant pas de polarisation peuvent  être réalisés en connectant dos à dos deux surfaces  de ce genre. Quoique des condensateurs à jonctions  aient une capacité nettement fonction de la tension,  cette dépendance est moins marquée pour de faibles  tensions.  



  Des condensateurs construits comme décrit dans  le brevet suisse     N     387799 peuvent remplacer le con  densateur selon la     fig.    2. Ils comprennent une couche  isolante déposée par évaporation, par exemple sur  la partie 15, au lieu de la couche 16 de type n, qui  a été obtenue par     diffusion.    Cette couche pourrait  aussi être obtenue par oxydation thermique.  



  Des résistances et des condensateurs peuvent être  combinés de façon à constituer des circuits     R-C     à constantes  réparties . Un circuit de ce genre est  représenté à la     fig.    3 ; il comprend une plaquette  20 d'une conductibilité de type p, une couche ob  tenue par diffusion 21 de conductivité de type n  avec, en surface, un contact 22 de grande super  ficie, et des contacts 23 espacés sur la face opposée.  Des circuits de ce genre sont utiles comme filtres  passe-bas, circuits déphaseurs, éléments de couplage  etc. Leurs paramètres peuvent être calculés à l'aide  des équations précitées. D'autres formes de ce type  général peuvent aussi être réalisées.  



  Des transistors et des diodes peuvent aussi être  formés sur une plaquette. A la     fig.    4 est représenté  un transistor comprenant une région collectrice 25,  une jonction     p-n   <I>26</I> obtenue par diffusion, une  couche de base 27, un contact émetteur 28 consti  tuant une connexion     redresseuse    avec la base 27  ainsi qu'un contact de base 29 et un contact collec  teur 30. La couche de base 27 est réalisée sous la  forme d'un     @(        mesa      de petite section transversale.  Le terme       mesa      est utilisé ici pour désigner un  monceau formé sur une couche inférieure, au lieu  de l'être dans cette couche.

   La couche 16 de la     fig.    2  ne constitue pas un       mesa         ,    car elle est formée  dans la couche 15. Une diode de même forme, re  présentée à la fi-. 5, comprend une région 35 ayant  un type de conductivité, un     (@        mesa      36 ayant le  type de conductivité opposé et, entre eux, une jonc  tion obtenue par     diffusion        p-n   <I>;</I> elle présente des  contacts 37 et 38, à savoir un pour chaque région.  



  De petites     self    inductions, pouvant être utilisées  en haute fréquence, peuvent aussi être obtenues en  donnant au semi-conducteur la forme d'une spirale    comme représenté à la     fig.5a.    Il est aussi possible  de préparer des cellules photosensibles, des cellules       photorésistives,    des batteries solaires et d'autres élé  ments semblables en utilisant la technique de base  précitée.  



  Les éléments de circuit décrits ont une seule  jonction     p-n    formée par diffusion. Toutefois, il est  possible d'utiliser des éléments de circuit ayant deux  jonctions     p-n    formées par diffusion. Ainsi, on peut  employer une double diffusion pour réaliser des  structures     n-p-n    et     p-n-p.     



  Le corps semi-conducteur utilisé pour la consti  tution des dispositifs selon les     fig.    1 à 5a est un  monocristal pouvant consister en toute matière  semi-conductrice convenable. Comme matières con  venables, on citera le germanium, le silicium, les  alliages     intermétalliques    comme l'arséniure de     .gal-          lium,    l'antimoniure d'aluminium, l'antimoniure d'in  dium.  



  Comme les dispositifs précités peuvent être réa  lisés à l'aide d'une seule matière, il est possible de  réaliser chacun de ces éléments dans une seule pla  quette semi-conductrice     monocristalline    contenant  une ou des jonctions     p-n    obtenues par diffusion, et  de traiter la plaquette de façon à obtenir le circuit  voulu et des éléments .de valeurs correctes. Les jonc  tions des transistors, des diodes et des condensa  teurs sont réalisées à l'aide de  < c     mesas      de la forme  voulue et formés sur la plaquette.  



  La     fig.   <I>6a</I> donne un exemple de circuit électro  nique obtenu de la sorte. Comme représenté, une  mince plaquette ,en une matière semi-conductrice       monocristalline    contenant une jonction     p-n    obtenue  par diffusion a été traitée et conformée de façon à  contenir un circuit électronique multivibrateur com  plet faisant partie intégrante d'une surface de la  plaquette. Les différentes régions de la plaquette  sont marquées de lettres de références correspondant  à la fonction qu'elles remplissent.

   La     fig.    6b montre  le schéma des connexions avec la même disposition  qu'à la     fig.   <I>6a.</I> La     fig.    7 représente le même schéma  mais comme on le dessinerait normalement, ce  schéma indique les différentes valeurs des éléments  utilisés. Le circuit multivibrateur représenté aux     fig.     <I>6a, 6b</I> et 7 va être décrit maintenant et sa fabrication  expliquée. Une plaquette semi-conductrice ayant la  résistivité voulue, de préférence en silicium ou en  germanium, est rodée et polie sur une face. Dans  le cas considéré, on a utilisé du germanium de type  p ayant une résistance de 3 ohms/cm.

   La plaquette  est ensuite soumise à une opération de diffusion  d'antimoine produisant, en surface, une couche de  type n d'une épaisseur d'environ 0,0175 mm. La  plaquette est ensuite coupée pour former des élé  ments 5 mm X 2 mm et la surface non polie de  ceux-ci est rodée de façon à obtenir une épaisseur  de 0,0625 mm.  



  Des connexions 50 en un métal, par exemple en       Kovar      (marque déposée, doré sont ensuite fixées  par alliage aux endroits voulus de la plaquette. De      l'or est ensuite déposé par évaporation à travers un  cache de façon à obtenir des surfaces 51-54 de con  tact ohmique sur la région     h,    constituant par exemple  les connexions de base des transistors et les contacts  des condensateurs. De l'aluminium est déposé par  évaporation à travers un cache convenable de façon à  obtenir :les surfaces émettrices 56 des transistors, sur  faces qui forment des contacts redresseurs avec la  couche n.  



  La plaquette est ensuite recouverte d'une pro  tection ou d'un vernis .photosensible comme, par  exemple,     1'         Eastman    photo     Resist      (marque dépo  sée) de Eastman Kodak, et exposée au travers d'un  négatif à la ,lumière. L'image restant après déve  loppement est     utilisée    comme protection pour donner  la forme voulue à la plaquette par attaque chimique.  Cette attaque chimique produit notamment une fente  dans la plaquette de façon à isoler     Rl    et     R2    du reste  du circuit et     donne    aussi la forme voulue calculée  à toutes les parties résistantes .de la surface.

   On peut       utiliser    une attaque     chimique    ou une attaque électro  lytique quoiqu'une attaque électrolytique semble pré  férable.  



  Après cette opération, la protection est enlevée à  l'aide d'un solvant, et des       mesas      60 sont masqués  par le même procédé photographique. La plaquette  est à nouveau plongée dans un mordant chimique  et la couche de type n entièrement dissoute à l'en  droit des surfaces exposées. La  morsure  chimique  est considérée comme préférable. La protection est  ensuite enlevée.  



  Des     fils    d'or 70 sont fixés par processus ther  mique aux parties voulues de façon à compléter les  connexions, et on procède à une dernière morsure        chimique    de nettoyage. On peut utiliser d'autres  connexions électriques au lieu des fils d'or 70.

   Par  exemple, une matière isolante et inerte comme de  l'oxyde de     silicium    peut être déposée par évapora  tion sur la plaquette à travers un cache de façon à  recouvrir complètement la plaquette à l'exception des  points où un contact électrique :doit être réalisé, ou  bien de façon à recouvrir uniquement des parties  choisies     réunissant    les points à     relier        électriquement.     Une matière conductrice de l'électricité, de l'or par  exemple, peut ensuite être déposée sur la matière  isolante de façon à réaliser les connexions nécessaires  dans le circuit électrique.  



  Après vérification, le circuit peut être     scellé        hz-r-          métiquement,    si nécessaire, de façon à le protéger  contre toute contamination. Le dispositif obtenu à  l'état fini est plus petit de plusieurs ordres de gran  deur que tout autre circuit réalisé jusqu'ici. Comme  les opérations nécessaires sont très semblables à  celles     actuellement    utilisées dans la fabrication des  transistors, et comme le nombre d'opérations re  quises est relativement faible, ces dispositifs sont par  nature économiques, sûrs et compacts.  



  Les     fig.    8a à 8e inclusivement représentent un  oscillateur     R-C.    Chaque partie de la plaquette     semi-          conductrice        monocristalline    est pourvue d'une réfé-         rence    désignant d'élément de circuit qu'elle repré  sente. Le dispositif représenté comprend deux résis  tances, un transistor et un circuit     R-C      réparti   disposé pour constituer un oscillateur     R-C    à un seul  transistor.  



  Ainsi, tous les éléments d'un circuit électronique  sont formés dans ou près d'une surface d'un corps  semi-conducteur relativement mince se caractérisant  par une ou des jonctions     p-n    obtenues par diffu  sion. Le concept de conformations est de grande im  portance dans les formes d'exécution décrites. Ce  concept de conformation permet d'obtenir, dans un  circuit, l'isolement nécessaire entre les éléments et  de délimiter ces éléments ou, en d'autres mots, de  délimiter la superficie occupée par un élément donné.

    La conformation peut être réalisée dans un circuit  donné d'une ou plusieurs façons     différentes.    Ces       différents    modes de conformation comprennent l'en  lèvement réel de parties de la matière semi-conduc  trice, des conformations spéciales de la matière semi  conductrice sous une forme longue et étroite, une  forme en      L ,    une forme en   U      ,    etc., la trans  formation sélective d'une matière semi-conductrice  intrinsèque par     diffusion    dans celle-ci d'impuretés  pour y former des chemins de faible résistivité pour  le passage du courant, et la transformation sélective  de la matière semi-conductrice d'un type de con  ductivité en un type .de conductivité opposé,

   la  jonction     p-n    ainsi formée agissant comme barrière  au passage du courant. Dans tous les cas, l'effet  cherché par da conformation est de diriger et/ou de       délimiter    des chemins     @de    passage pour le courant  permettant ainsi la fabrication de circuits qui ne  pourraient pas être obtenus d'une autre manière  dans une seule plaquette semi-conductrice. Il s'en  suit que le     circuit    à l'état     achevé    a une forme essen  tiellement plane. Il est possible de conformer la pla  quette pendant les opérations et de produire par       diffusion    les différents éléments de circuit suivant un  ordre voulu et approprié.  



  Il n'y pas de limite à la complexité de forme des  circuits pouvant être réalisés de la manière décrite.  S'il y a une limite en ce qui concerne les types et  les valeurs des éléments pouvant être réalisés dans  un espace limité, par contre, il est possible d'at  teindre un perfectionnement remarquable par rap  port aux anciennes techniques. Pour montrer claire  ment le progrès qui peut être atteint ainsi dans la  technique de la miniaturisation, il est possible de  réaliser, avec les techniques décrites ci-avant, des  densités en éléments dépassant le million par     dm-          par    opposition à la densité de 150 éléments par     dm3     qui constitue le maximum obtenu jusqu'ici.

Claims (1)

1. REVENDICATION Circuit semi-conducteur microminiature intégré constitué par une plaquette semi-conductrice, ladite plaquette ayant au moins deux éléments de circuit de types différents (T., RI, Cl ;<B>QI,</B> R3, Cl) isolés au moins. partiellement les uns des autres dans la- dite plaquette par une zone à impédance élevée et munis des contacts ohmiques reliés les uns aux autres (53, 70,<B>52, QI,</B> +V, Cl), caractérisé en ce que tous les éléments (T1, T2, <B>CI,</B> C2, RI à R$ ;

   <B>QI,</B> Cl, RI à R3) d'une unité électrique fonctionnelle sont aménagés dans un arrangement plat pratique ment à deux dimensions, sur une même face de la plaquette, au moins partiellement dans celle-ci. SOUS-REVENDICATIONS 1. Circuit selon la revendication, caractérisé en ce que des contacts ohmiques sont reliés au moins par- tiellement des uns aux autres au moyen d'une matière conductrice appliquée sur une matière isolante pré vue sur ladite face au moins entre lesdits contacts reliés les uns aux autres. 2.

   Circuit selon la revendication ou la sous- revendication 1, caractérisé en ce que lesdits élé ments de circuit sont un transistor, un condensateur et une résistance d'un oscillateur (fig. 8). 3. Circuit selon la revendication ou la sous- revendication 1, caractérisé en ce que lesdits élé ments de circuit sont des transistors, des conden sateurs et des résistances d'un multivibrateur (fig. 6).