Brevet FR2097133A1 — publié le 19720303

L'invention concerne un procédé pour réaliser des contacts métalliques soudables par soudure tendre pour le montage de composants à semiconducteurs, en particulier de circuits à semiconducteurs fabriqués selon la technique 5 planar, dans des boîtiers suivant la technique de soudage dite technique "Face-down" dans laquelle on établit le contact entre le dispositif contenant le composant à semiconducteur et le substrat en matériau isolant par la face avant du dispositif, orientée vers le bas et contenant la zone du compo-10 sant. Le problème technique qui doit être résolu par la présente invention consiste en la réalisation simple du point de vue opération et technologique de connexions métalliques sûres par soudure tendre sur des composants et dés circuits à 15 semiconducteurs qui se prêtent à une technique de soudage, telle que celle utilisée dans la technique de soudage dite "Face - down" rappelée ci-dessus. Jusqu'à présent on devait utiliser des procédés compliqués avec des métallisations et des successions de 20 couches métalliques qui n'étaient pas suffisamment éprouvées. Le contact avec le substrat se faisait la plupart du temps par thermocompression ou par soudure dite "nail-head-bonding" (liaison de la tête avec le clou). La technique "beam-lead" (conducteurs poutres) offre une autre possibilité mais on doit 25 s'accomoder des instabilités. Une technique connue pour établir les contacts avec des circuits intégrés multipolaires est exposée dans la revue "X.B.M.J. Res. Develop." Mai 1969 Vol 13 N 3. Dans cette technique désignée par "Face-down-bonding" (contact la tête en bas) on utilise des bosses de contact dont 30 la constitution du point de vue métallurgique est telle qu'elles ne fondent que partiellement pendant l'établissement des contacts sur les trajets conducteurs imprimés. Ces bosses sont fabriquées de la manière suivante 1 sur la zone à contacter du dispositif à semiconducteur, pourvue d'une métallisation, 35 constituée par plusieurs successions de métaux, on dépose dans une soudure plomb-étain une bille de cuivre au moyen d'un masque métallique correspondant et on l'incorpore par alliage dans la soudure. La présente invention poursuit une autre voie pour ko fabriquer des contacts métalliques correspondant aux bosses 71 24067 2 2097133 dont il est question dans les procédés connus, et conduit à une certaine simplification et à d'autres améliorations en regard des procédés connus. La présente invention consiste en conséquence en un 5 procédé qui est caractérisé par le fait que l'on munit, selon une méthode connue en soit, le dispositif contenant le composant à semiconducteur d'une structure de voies conductrices constituée par de l'aluminium, que l'on recouvre ensuite toute la structure ainsi obtenue d'une couche en SiOg, que l'on met 10 à nu une partie des structures en aluminium au moyen de la technique connue de gravure à la laque photosensible, que l'on dépose sur toute la surface une autre couche métallique constituée par du titane et sur celle-ci une couche métallique en or, qu'ensuite après avoir procédé à une autre gravure à la 15 laque photosensible dans les zones prévues pour l'établissement des contacts métalliques par soudure tendre, on renforce d'une façon connue par galvanisation l'épaisseur de la couche métallique de contact, constituée par de l'or déposée en dernier, et qu'enfin on dépose sur cette couche d'or renforcée, par 20 traitement chimique humide (sans courant), un revêtement soudable sous la forme d'un métal résistant en comparaison de l'or en ce qui concerne sa solubilité. Il rentre dans le cadre de l'invention d'utiliser comme revêtement soudable une couche de-nickel qui est déposée 25 ®n premier à partir d'un bain de nickel contenant du bore et ensuite à partir d'un bain de nickel contenant du phosphore. Grâce à cette nouvelle méthode les bornes de contact réalisées jusqu'à présent seulement pour une technique de soudage par thermocenpression ou par ultrasons, sont transformées 30 par dépôt sans courant d'un revêtement soudable qui ne peut ni être incorporé par diffusion dans le matériau support ni être dissous dans la soudure lors du processus de soudage, en bornes convenant à une technique de soudage telle que par exemple la technique de soudage dite "Face-down". 35 Les avantages qui en résultent sont : 1. Une grande sécurité de fonctionnement des composants ainsi fabriqués. 2. Les agencements de composants prévus pour la technique des contacts "Flip—chip" (pastilles et pointes) peuvent également ko être utilisées pour la technique de soudage dite "Face down* 71 24067 3 2097133 et donc pour les circuits hybrides. 3. Procédé de fabrication très simple sans recours aux masques et aux techniques de fabrication compliqués. k. Faible coût de fabrication. 5 5. Possibilité d'échanger facilement les dispositifs de composants par la méthode de soudure tendre. 6. Grâce aux bosses de contact (bosses en or) avec des hauteurs ayant des tolérances plus larges aucun substrat absolument plan n'est nécessaire ; aussi le positionnement et les condi-10 tions thermiques ne doivent pas être respectés par trop sévèrement lors de l'opération de soudage. Selon une autre caractéristique de l'invention on prévoit de déposer en utilisant un procédé par trempage en plus de la couche de nickel, une autre couche soudable par 15 soudure tendre. Ainsi une couche constituée par de l'étain ou par un alliage plomb-étain, ou par du plomb ou par un alliage plomb-argent-indium, s'est révélée particulièrement favorable. Il rentre dans le cadre de la présente invention de régler l'épaisseur de la couche de nickel à une valeur de 20 environ. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré au dessin annexé un mode d'exécution du procédé suivant l'invention. Les figures 1 à 8 représentent les phases opératoires 25 de la fabrication d'un dispositif à semiconducteur, pourvu d'un contact soudable par soudure tendre, suivant le procédé conforme à l'invention. On a renoncé à la représentation des différentes zones dopées dans le corps semiconducteur afin d'avoir une meilleure vue d'ensemble et on n'a décrit que le 30 dépôt des couches métalliques nécessaires pour l'établissement du contact. Sur la figure 1 on part d'une pastille en silicium pourvue de plusieurs composants à semiconducteurs ou circuits à semiconducteurs, où seule une zone pourvue d'une structure 35 de voie conductrice en aluminium 2 d'une telle pastille cristalline en silicium 1 est représentée en section. Les structures de voies conductrices en aluminium sont obtenues par vaporisation à travers des masques et leur épaisseur va jusqu'à 1 |i. 40 Avant le processus de métallisation qui suit, une 71 24067 ii 2097133 couche 3 ®h SiOg Une fenêtre 4 est ensuite gravée dans la zone de la couche 3 e*i ^-^2 ^ ^-a technique connue de gravure à la laque photosensible, la structure de voie conductrice 2 en aluminium étant en partie mise à nu comme ceci est représenté sur la figure 3. La figure k représente le dépôt de titane 5» sur toute la surface, sur une épaisseur de 0,2 p et d'or 6 avec une épaisseur uniforme. Ce dépôt sur toute la surface est obtenu par une vaporisation de métaux purs0 Après l'opération suivante de gravure à la laque photosensible 7» on entreprend comme ceci est représenté sur la figure 5 la réalisation de bosses en or ou de piliers par renforcement de la couche d'or par simple galvanisation. Les bosses en or 8 sont ainsi formées avec une épaisseur allant jusqu'à environ 15 A la suite de cela on procède à une élimination de la couche de laque photosensible 7 ainsi qu'à une attaque de la structure de la couche d'or et de la couche de titane déposées sur toute la surface au moyen d'un solvant adéquat, les bosses en or servant de masque de protection contre la corrosion. Il en résulte la structure représentée sur la figure 6 laquelle convient déjà pour l'établissement de contaet - suivant la technique "Flip-Chip" (pastilles et pointes) par thermocompression ou soudage dit "nail-head bonding". Afin de rendre utilisable ce contact, selon la caractéristique de l'invention, pour une technique de soudage dite technique "Face-dovn", qui présente par rapport aux techniques de soudage connues des avantages notables déjà décrits, tout le dispositif est soumis à un processus de dépôt métallique à l'aide d'un traitement chimique par voie humide (sans, courant). Ceci a lieu par exemple de la manière suivante : la structure, représentée en section sur la figure 6 est, tout d'abord après nettoyage préalable avec de l'acétone, introduite successivement dans un bain de nickel contenant du bore ensuite dans un bain de nickel contenant du phosphore et est revêtu d'une couche de nickel 9 par l'action des ultrasons et 71 24067 5 2097133 de la chaleur comme ceci est représenté sur la figure 7- Le premier bain de nickel est composé d'une solution ammoniacale de sulfate de nickel qui contient des additions d'hydrure de bore et de sodium, de borate de sodium» et d'hydrogénocitrate 5 d'ammonium. Le deuxième bain de nickel est composé d'une solution ammoniacale de chlorure de nickel, qui contient des additions de chlorure d'ammonium, d1hypophosphite de sodium et d'hydrogénocitrate d'ammonium. Le nickelage dure environ 10 minutes jusqu'à ce que la couche de nickel atteigne une 10 épaisseur de 1,5 Etant donné qu'au cours du nickelage sans courant le nickel ne se dépose que sur des métaux, toutes les zones recouvertes par SiO^ (3) ne sont pas nickelées c'est-à-dire que seules les bornes (bosses 8) constituées par de l'or 15 sont recouvertes par une couche de nickel 9. Etant donné que le nickel pour une température de soudure maximale de 350° n'est ni incorporé par diffusion dans l'or ni sensiblement dissous dans la soudure par exemple de l'étain ou du plomb pour l'établissement du contact sur le 20 substrate isolant) il agit comme une couche de protection soudable contre l'attaque de l'or par la soudure. On a éprouvé la succession de couches aluminium/titane/or - or et constaté que celle-ci n'est pas modifiée par le nickelage supplémentaire. 25 La structure revêtue d'une couche de nickel 9, sur la figure 7, peut encore, dans un but particulier, être recouverte d'une couche supplémentaire convenant à une soudure tendre par exemple constituée par de l'étain. La figure 8 représente une telle structure dans laquelle après le dépôt de la 30 couche de nickel 9 une couche d'étain 10 est déposée par étama-ge en utilisant un procédé par trempage. A la place de l'étain on peut encore utiliser d'autres alliages de l'étain ou des soudures contenant du plomb. Les dispositifs à semiconducteurs fabriqués selon 35 le procédé suivant la caractéristique de l'invention conviennent le mieux à la fabrication de circuits intrégés dans la technique hybride ainsi qu'au montage dans des boîtiers "DIP" (boîtiers plastiques enfichables). Les conditions citées au début et portant sur de tels composants sont parfaitement rem-40 plies. 71 24067 6 2097133 REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser des contacts métalliques soudables par soudure tendre pour le montage de composants à semiconducteurs, en particulier de circuits à semiconducteurs fabriqués selon la technique planar, dans des boîtiers suivant 5 la techniqué de soudage dite technique "Face-dovn" dans laquelle on établit le contact entre le dispositif contenant le composant à semiconducteur et le substrat en matériau isolant par la face avant du dispositif, orientée vers le bas et contenant la zone du composant, caractérisé par le fait que l'on 10 munit, selon une méthode connue en soit, le dispositif contenant le composant à semiconducteur d'une structure de voies conductrices constituée par de l'aluminium, que l'on recouvre ensuite toute la structure ainsi obtenue d'une couche en SiOg, que l'on met à nu une partie des structures en aluminium 15 au moyen de la technique connue de gravure à la laque photosensible, que l'on dépose sur toute la surface une autre couche métallique constituée par du titane et sur celle-ci une couche métallique en or, qu'ensuite après avoir procédé à une autre gravure à la laque photosensible dans les zones prévues pour 20 l'établissement des contacts métalliques par soudure tendre, on renforce d'une façon connue par galvanisation l'épaisseur de la couche métallique de contact, constituée par de l'or déposée en dernier, et enfin on dépose sur cette couche d'or renforcée par traitement chimique humide (sans courant) un 25 revêtement soudable sous la forme d'un métal résistant en comparaison de l'or en ce qui concerne sa solubilité. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on peut utiliser une couche de nickel comme revêtement convenant à la soudure. 30 3« Procédé suivant les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la couche de nickel est déposée en premier à partir d'un bain de nickel contenant du bore et ensuite à partir d'un bain de nickel contenant du phosphore. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé 35 par le fait que la couche de nickel est déposée sur une épaisseur d'environ î,5 p. 5. Procédé suivant les revendications 1, 2, 3 et k prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que le dépôt de la couche de nickel s'effectue sous l'action des ultrasons. 71 24067 7 2097133 6. Procédé suivant les revendications 1, 2, 3, 4 et 5 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que l'on dépose en utilisant un procédé par trempage en plus de la couche de nickel une couche convenant à une soudure tendre. 5 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que l'on dépose en plus de la couche de nickel en tant que soudure tendre une couche d'étain ou une couche d'étain-plomb ou une couche de plomb ou une couche plomb-argent -indium . 10 8. Procédé suivant les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que l'on dépose la couche d'aluminium sur une épaisseur de 1 p, la couche de titane et d'or sur une épaisseur de 0,2 p et la couche d'or qui est renforcée par galvanisation sur une épaisseur de 15 15 p. 9. Procédé suivant les revendications 1, 2, 3, k, 5, 6, 7 et 8 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que l'on dépose la couche en SiO,, de préférence par pulvérisation cathodique sur une épaisseur de 1 |i. 20 10» Composant à semiconducteur, en particulier circuits planar à semiconducteurs au silicium en technique hybride fabriqués selon un procédé d'après les revendications 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8 et- 9 prises dans leur ensemble.