Brevet FR2656493A1 — publié le 19910628

Procédé d'interconnexion de couches métalliques du réseau multicouche d'une carte électronique, et carte en résultant. L'invention a pour objets un procédé d'interconnexion de couches métalliques du réseau multicouche d'une carte électronique, et la carte en résultant Une carte électronique sert à la connexion d'au moins un circuit intégré de haute densité encore appelé circuit VLSI (Very Large Scale Integrated circuit) Elle peut servir à l'interconnexion de plusieurs circuits intégrés montés en surface, ou simplement au support d'un seul circuit intégré placé dans un boîtier, par exemple en substitution du support classique actuel couramment appelé "chip carrier". Dans une telle carte, le réseau multicouche est ordinairement porté par un substrat fait d'une plaque isolante incorporant les plans de distribution des potentiels d'alimentation du ou des circuits intégrés Le substrat peut être une plaque de céramique cocuite, ou une plaque faite d'un matériau organique, en plastique par exemple La carte pourrait aussi être simplement formée du réseau multicouche, prenant alors la forme d'une carte souple La carte peut encore être une plaque de matériau semiconducteur incorporant les circuits intégrés et recouverte d'un réseau multicouche pour l'interconnexion de ces circuits intégrés selon la technologie dite WSI (Wafer Scale Integration) Dans toutes ces cartes, le réseau multicouche se compose d'un empilement de couches conductrices et isolantes alternées Dans cet empilement, une couche isolante est percée de traversées (via-holes en terminologie anglo-saxonne) pour la liaison électrique des couches conductrices entre elles Les couches conductrices sont ordinairement faites d'aluminium ou de cuivre, et les couches isolantes sont aujourd'hui faites de préférence en un matériau polymérisé tel qu'un polyimide. Un problème dans la fabrication du réseau métallique multicouche est l'optimisation de la densité du réseau métallique multicouche Actuellement, les traversées sont évasées pour faciliter le dépôt de la couche métallique supérieure Cependant, l'évasement exige un positionnement précis sur chaque traversée et un contrôle du degré d'évasement De plus, l'évasement oblige à élargir les conducteurs, au détriment de la haute densité recherchée des conducteurs dans le réseau Pour résoudre ce problème, les traversées sont simplement des trous cylindriques ou prismatiques Cependant, la présence de ces simples trous pose un second problème, résidant dans l'obtention de couches relativement planes afin de superposer un grand nombre de couches métalliques dans le réseau Ce problème est d'autant plus grave que les couches isolantes sont épaisses Dans les cartes actuelles, des couches isolantes peuvent avoir une épaisseur dépassant 10 micromètres Une solution au problème consiste à remplir au moins partiellement les traversées d'un matériau métallique Le remplissage aboutit à ce qui est couramment appelé un pilier Grâce aux piliers, on réduit les déformations des couches conductrices supérieures. Un procédé connu de fabrication des piliers consiste à faire un dépôt chimique (électroless) de nickel La traversée est d'abord mise en contact avec une solution catalytique, généralement à base de palladium pour obtenir une surface métallique activée Ensuite, on plonge la traversée dans un bain à base de diméthylaminoborane, couramment désigné sous la forme contractée DMAB, qui sert d'agent réducteur Les polyimides notamment s'avèrent en effet inertes au DMAB Ce procédé de dépôt chimique de nickel est utilisable sur toute surface métallique activée. La description la plus connue du phénomène de dépôt chimique (électroless) est celle donnée par Van Meerakker dans un article de la revue "Journal of Applied Electrochemistry", 1981, Vol 11, pages 395 et suivantes Le dépôt de métal procède par les réactions simultanées d'oxydation anodique de l'agent réducteur et de la réduction cathodique du métal. L'activation de la surface métallique de support qui constitue le fond d'une traversée doit à la fois permettre la déhydrogénation du réducteur et la désorption de l'hydrogène par recombinaison ou oxydation à une vitesse suffisante pour que le dépôt métallique se fasse L'activation est faite en traitant la surface métallique avec une solution catalytique généralement faite à base de palladium Par exemple, une activation faite selon un procédé humide consiste à mettre en contact la couche isolante et ses traversées avec une solution de chlorure de palladium (Pd Cl 2) Dans ce cas, l'activation n'a théoriquement lieu que sur la surface métallique du fond de chaque traversée Dans le bain suivant de DMAB, le palladium présent au fond des traversées accumule le nickel Normalement, la surface de la couche isolante est inerte à ce type de bain Cependant, l'expérience montre qu'une nucléation de nickel apparaît sur la surface de la couche isolante ayant subi une activation Cette nucléation crée des défauts d'isolation dans le réseau multicouche fini. Pour éviter ces défauts, il est nécessaire de protéger la surface extérieure de la couche isolante par un masque ne faisant apparaître que le fond des traversées. Une autre forme de traitement catalytique est le procédé classique connu sous le nom de "lift-off" Ce procédé consiste à former un masque photorésistant sur la couche isolante de façon à ne faire apparaître que les traversées, puis à procéder à l'évaporation de palladium sous vide Le palladium recouvre uniformément le fond des traversées et leurs parois latérales, ainsi que toute la surface du masque. Le masque est ensuite éliminé Après le traitement catalytique, la carte est plongée dans un bain de DMAB pour le dépôt chimique de nickel Ce dépôt se forme en présence du palladium à partir de toutes les parois de chaque traversée. Les deux formes de traitement catalytique présentent des inconvénients Dans la première forme décrite plus haut, il est nécessaire de recouvrir la couche isolante d'un masque photorésistant ne laissant apparaître que les traversées pour éviter les nucléations de nickel Quant au procédé par lift- off, le masque s'impose normalement Le procédé de masquage requiert plusieurs opérations exigeant un centrage précis sur les traversées Le masquage est donc délicat, long et coûteux De plus, il pose aussi un grave problème lorsque les traversées sont profondes, comme c'est généralement le cas des cartes d'interconnexion Le masquage commence par l'étalement d'une résine photorésistante, par rotation de la carte par exemple La couche de résine remplit les traversées et présente une surface relativement plane au-dessus de la couche isolante Autrement dit, la couche de résine présente une épaisseur beaucoup plus importante à l'intérieur des traversées qu'à l'extérieur Les conditions d'insolation d'une résine à photosensibilité positive, ou les conditions de développement d'une résine à photosensibilité négative dépendent de l'épaisseur de la résine Il s'avère ainsi difficile d'obtenir un masque limité au seul contour des traversées et ne laissant aucune trace de résine sur les parois de la traversée En outre, cette opération requiert un centrage précis sur chaque trou En résumé, le masquage qui s'impose dans les procédés classiques consiste en des opérations supplémentaires longues, délicates et coûteuses, et donnent des résultats non satisfaisants. Le procédé de "lift-off" présente un autre inconvénient A cause de la présence de palladium sur toutes les parois d'une traversée, la croissance du nickel dans la traversée se développe verticalement et latéralement Quand la traversée a un diamètre plus grand que sa profondeur, la couche de nickel croit en forme de U et présente une cuvette De plus, les bords supérieurs de la couche de nickel s'élèvent et forment une couronne au-dessus de la surface de la couche isolante. La cuvette et la couronne s'opposent au nivellement désiré. D'autre part, les procédés connus de fabrication de réseaux métalliques multicouches consistent à former itérativement les couches complètes désirées Sur une couche métallique, on forme ne couche isolante et on la grave pour y ménager des traversées Puis, on remplit les traversées pour faire les piliers et on recouvre la couche isolante et ses piliers d'une autre couche métallique On reprend ces étapes pour les couches supérieures Afin d'accroître la densité d'interconnezxion du réseau, il est souhaitable de superposer des piliers du réseau Cela est possible si les piliers sont coplanaires avec la couche isolante qui les incorporent Le procédé humide de dépôt chimique de nickel produit des piliers relativement coplanaires Cependant, chaque pilier a un rebord dû à un effet de bord de la croissance du nickel au contact des parois latérales de la traversée Ce rebord crée une légère cuvette sur la face supérieure du pilier Le pilier supérieur superposé aura une cuvette plus creuse Une trop grande dénivellation a l'inconvénient de créer des défauts dans la couche métallique Par conséquent, il est en pratique impossible de superposer plus de deux ou trois piliers ainsi formés La superposition requiert un centrage très précis dans toutes les opérations de masquage et de gravure pour aligner correctement deux piliers De plus, ces opérations sont nécessaires dans les procédés connus Le procédé de dépôt chimique par "lift-off" crée une grande cuvette dans des traversées larges et rend pratiquement impossible la formation d'un pilier supérieur Il en est de même pour les traversées évasées La solution actuelle consiste à décaler les traversées supérieures Ce décalage est souvent fait en spirale autour d'une ligne verticale. Cependant, la section de cette spirale est beaucoup plus grande que celle des traversées et s'oppose à la haute densité désirée En outre, une spirale disposant par exemple les traversés à 900 les unes des autres fait que la cinquième traversée se superposera à celle du bas et créera une dépression excessive Il faut alors agrandir la section de la spirale, au détriment de la haute densité recherchée. L'invention présente un procédé n'ayant pas les inconvénients des procédés classiques de formation d'un réseau métallique multicouche par dépôt chimique. Le procédé conforme à l'invention d'interconnexion de couches métalliques d'un réseau multicouche d'une carte électronique utilisant un dépôt chimique métallique dans une traversée, est caractérisé en ce qu'il consiste à déposer les couches métalliques superposées, à ménager une traversée commune aux couches métalliques, et à faire le dépôt chimique dans la traversée commune. Il en résulte une carte électronique incluant un réseau métallique multicouche incorporant au moins un pilier métallique reposant sur une couche métallique au fond d'une traversée, caractérisée en ce que le pilier relie directement dans une traversée commune au moins une autre couche métallique. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés. Dans les dessins, les figures l A-l E sont des vues en coupe schématique partielle d'une carte présentant un réseau métallique multicouche pour la connexion d'au moins un circuit intégré, illustrant des phases successives d'un procédé d'interconnexion conforme à l'invention. Les figures l A-l E illustrent une carte 10 portant un réseau métallique multicouche 11 pour la connexion d'au moins un circuit intégré, non représenté Le réseau 11 est vu en coupe schématique partielle au niveau d'un conducteur d'une couche conductrice métallique 12 Dans la figure l A, la couche métallique 12 est recouverte uniformément d'une couche isolante 13 Au niveau de la figure l A, il est prévu de former une traversée et un pilier réunissant le conducteur représenté de la couche métallique 12 à un conducteur d'une couche métallique supérieure Selon l'invention, on forme les conducteurs de la couche métallique supérieure 14 sur la couche isolante 13, comme représenté sur la figure 1 B Les conducteurs des couches métalliques adjacentes sont ordinairement orthogonaux, comme illustré Puis, comme illustré dans la figure IC, on forme une couche isolante supérieure 15 uniformément sur toute la couche métallique supérieure 14 En pratique, le réseau 11 était fait de cuivre électrolytique déposé en couche de 5 lim d'épaisseur et de polyimide déposé en couche d'épaisseur de l'ordre de 10 pm. En référence à la figure l D, un masque minéral 16 a été formé sur la couche isolante supérieure 15 Le masque 16 sert à graver successivement les couches sous-jacentes 15, 14 et 13 pour créer une traversée commune 17 ayant la couche métallique inférieure 12 comme paroi de fond En pratique, les traversées dans le réseau 11 avaient un diamètre d'environ 40 iim et étaient espacées les unes des autres d'au moins 125 um centre à centre La gravure du polyimide a été faite par plasma et celle du cuivre par usinage ionique (ion milling) Le réseau 11 illustré dans la figure ID a été activé avec une solution de chlorure de palladium La carte a ensuite été plongée dans un bain de DMAB selon le procédé humide de dépôt chimique de nickel Il en est résulté le pilier 18 représenté sur la figure l E Le palladium déposé sur le cuivre dans la traversée 17 fait croître le nickel verticalement à partir de la couche 12, et à la fois verticalement et horizontalement à partir de la couche 14 On peut ainsi arrêter le dépôt au milieu de la traversée 17 illustrée pour avoir un contact efficace et fiable entre les couches métalliques 12 et 14 Un rebord 19 se forme au-dessus de la couche supérieure 14 Le rebord qui s'est formé en dessous s'est associé à la masse de nickel formée à partir de la couche 12. Grâce à l'invention, la traversée commune 17 peut avoir une section sensiblement égale ou inférieure à sa profondeur et devient adaptée à tout dépôt chimique pour un remplissage sensiblement plan Cependant, un remplissage partiel en forme de U peut créer un contact efficace et fiable entre les deux couches de cuivre. L'invention n'est donc pas limitée à l'exemple décrit et illustré D'une manière générale, elle peut s'appliquer à toute couche métallique conductrice utilisée dans une carte de connexion de circuits intégrés, le cuivre, l'or et l'aluminium notamment, ainsi qu'à tout procédé de dépôt chimique d'un métal de remplissage pour constituer un pilier et à l'interconnexion de plusieurs couches métalliques superposées L'invention a aussi l'avantage d'éviter le problème du centrage des piliers et les masquages successifs pour le dépôt chimique, et de convenir à la haute densité de connexion recherchée Bien entendu, tout mode de gravure connu peut être employé, par laser par exemple De même, le masque pourrait être formé sur la couche métallique supérieure Enfin, il est clair que la liaison conforme à l'invention peut aussi être faite entre deux couches métalliques non adjacentes. il Revendications 1 Procédé d'interconnexion de couches métalliques ( 12, 14) d'un réseau multicouche ( 11) d'une carte électronique ( 10) utilisant un dépôt chimique métallique dans une traversée, caractérisé en ce qu'il consiste à déposer les couches métalliques superposées, à ménager une traversée ( 17) commune aux couches métalliques, et à faire le dépôt chimique dans la traversée commune. 2 Carte électronique ( 10) incluant un réseau métallique multicouche ( 11) incorporant au moins un pilier métallique ( 18) reposant sur une couche métallique ( 12) au fond d'une traversée, caractérisée en ce que le pilier ( 18) relie directement dans une traversée commune ( 17) au moins une autre couche métallique ( 14).