Brevet FR2666686A1 — publié le 19920313

PROCEDE DE FABRICATION D'UN CIRCUIT HYBRIDE MULTICOUCHE UTILISANT DES COMPOSES ORGANOMETALLIQUES DESCRIPTION L'invention se rapporte à un procédé de fabrication, à bas coût, d'un circuit hybride multicouche. Elle permet la réalisation de circuits hybrides de très haute densité d'intégration, intégrant des composants passifs et/ou plusieurs niveaux d'interconnexions. Les circuits équipés de composants passifs auxquels s'applique L'invention sont par exemple des circuits hyperfréquence avec des résistances, des condensateurs et des inductances. Les circuits équipés de plusieurs niveaux d'interconnexions auxquels s'applique L'invention sont par exemple des modules multi-plaquettes connus sous la terminologie anglo-saxonne "Multi Chip Modules" permettant une intégration maximale des circuits intégrés à grand nombre d'entrées/sorties. Actuellement, lorsqu'il est nécessaire de réaliser des circuits hybrides à très haute densité d'intégration, comportant des composants passifs et/ou plusieurs niveaux d'interconnexions, les fabricants font appel à des équipements de dépôt sous vide pour la plupart des matériaux nécessaires à la réalisation des pistes conductrices, des résistances, des condensateurs, etc. Les pistes conductrices sont généralement réalisées en or ou en cuivre, les résistances en nickel-chrome ou nitrure de tantale et les diélectriques des condensateurs en oxyde ou nitrure de silicium. Les isolements entre les différents niveaux d'interconnexions sont, quant à eux, réalises à l'aide de polyimide mis en oeuvre par centrifugation. Les techniques de dépôt sous vide et de centrifugation sont valables et tout à fait performantes. Malheureusement, ces techniques présentent l'inconvénient majeur d'un coût très élevé. En effet, elles nécessitent des équipements de mise en oeuvre coûteux et spéciaux, du personnel très qualifié ainsi qu'un environnement rigoureux. Le coût de ces techniques est d'ailleurs tellement prohibitif, qu'il écarte les petites et moyennes entreprises des applications mentionnées précédemment. L'invention a justement pour objet un procédé de fabrication d'un circuit hybride multicouche, à haut niveau d'intégration et présentant un faible coût. Pour réaliser ces circuits multicouches, les inventeurs ont développé un procédé qui fait appel à L'utilisation de composés organométalliques, c'est-àdire å des produits présentant un faible coût de mise en oeuvre puisque cette dernière utilise en particulier la sérigraphie pleine plaque ou la centrifugation comme technique de dépôt au lieu et place des coûteux équipements de dépôt sous vide. Les motifs sont formés classiquement par photogravure. Pour fabriquer des circuits hybrides en utilisant des composés organométalliques, les inventeurs ont dû résoudre un certain nombre de problèmes. L'un de ces problèmes est l'impossibilité de réaliser sur un même substrat des résistances électriques à partir d'un composé organométallique de platine et un réseau d'interconnexions notamment de ces résistances à partir d'un composé organométallique d'or du fait qu'il n'existe pas de solution de gravure sélective pour ces métaux précieux. Or, cette limitation est particulièrement restrictive pour réaliser des circuits hyperfréquence. En effet, le platine présentant une résistance par carré de 20 ohms est tout particulièrement indiqué pour réaliser les résistances entrant dans ces circuits hyperfréquence du fait que la gamme des valeurs des résistances nécessaires à ces circuits va de quelques ohms à quelques dizaines d'ohms. Un autre problème est l'impossibilité d'utiliser des composés organométalliques appropriés pour réaliser les diélectriques des condensateurs et les armatures ou réseaux d'interconnexions de ces condensateurs en or du fait que les solutions de gravure chimique des diélectriques généralement utilisées (acide fLuorhydrique par exemple) détruisent aussi les couches d'or. Un autre problème est lié à la présence, après photogravure des couches obtenues à partir des composés organométalliques, de résidus de gravure pouvant être à l'origine de problèmes de fiabilité. Le procédé de fabrication d'un circuit hybride multicouche, conforme à L'invention permet de résoudre tous les problèmes mentionnés ci-dessus. De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un circuit hybride multicouche comportant un substrat équipé de pistes en un composé minéral conducteur ou diélectrique, comprenant les étapes suivantes : a) - formation d'un premier masque de résine photolithographique sur le substrat dont les motifs sont inverses de ceux des pistes à réaliser, b) - dépôt d'une couche d'au moins un composé organométallique apte à précipiter sur le substrat sous forme dudit composé minéral, lors d'un traitement thermique, c) - premier traitement thermique de la couche d'organométallique pour en éliminer les molécules organiques et Libérer Le composé minéral qui se dépose sur l'ensemble du circuit, d) - formation d'un second masque de résine photolithographique sur la structure obtenue en c, dont les motifs sont ceux des pistes à réaliser, e) - éLimination des régions du composé minéral déposé, non masquées par le second masque, f) - second traitement thermique de La structure obtenue en e pour détruire les premier et second masques de résine et donner Les propriétés électriques et mécaniques recherchées au composé minéral desdites pistes. De façon avantageuse, L'étape c consiste à chauffer la structure obtenue en d à une température de 300 à 4000C et en particulier, à une température de 3000C. Par ailleurs, de préférence, L'étape f consiste à chauffer la structure obtenue en e à une température de 600 à 8500C et en particulier de 8500C. Ces températures sont indépendantes de la nature du composé organométallique utilisé. Le principe de L'invention repose sur une propriété spécifique des composés organométalliques. En effet, ces composés précipitent sous une forme minérale solide à une température de 300 à 4000C et acquièrent Leurs propriétés électriques et mécaniques définitives après un traitement thermique à une température pLus élevée, au moins égale à 6000C. Par ailleurs, si le produit de départ est un organométallique d'un métaL précieux, on obtient, finalement, une couche de ce même métal alors qu'au contraire, si le produit de départ est un organométallique d'un métaL non précieux, on obtient au stade final, une couche d'un oxyde de ce métal. Suivant le type de L'oxyde et du métal le constituant, cette couche d'oxyde peut être conductrice ou diélectrique. Le procédé de L'invention repose en outre sur te fait que les résines utilisées classiquement en photolithographie sont détruites et transformées à 100% en matières volatiles pour des températures au moins égales à 6O00C. Ceci revient à effectuer un "lift off", terminologie bien connue de L'homme de l'art. Les résines utilisables dans L'invention pour la constitution des masques peuvent être des résines négatives ou positives. Ces résines sont des résines photosensibles généralement utilisées en microélectronique. Les composés organométalliques sont en particulier des thiolates de formule générale R-S-M dans laquelle R représente une chaîne hydrocarbonée, saturée ou non, et éventuellement substituée pouvant avoir de 1 à 20 atomes de carbone et M représente un métal noble ou non. En particulier, R représente un radical aromatique, alkyle ou aryle de 1 à 20 atomes de carbone tel que le radical méthyle, éthyle, propyle, triméthyle, etc. Les composés thiolates utilisables dans L'invention sont en particulier ceux commercialement disponibles auprès de sociétés telles que DEGUSSA ELECTROSCIENCES, ENGELWART, JOHNSON MATTHEY, etc.. Bien entendu, d'autres composés organométalliques peuvent être utilisés pour la mise en oeuvre de l'invention. Par exemple, pour le dépôt de silicium ou d'oxyde de silicium, on peut utiliser des organosilanes comportant de 1 à 20 atomes de carbone. Selon L'invention, on peut utiliser 1 ou plusieurs composés organométalliques selon que l'on désire obtenir une couche minérale à base d'un seul métal ou de plusieurs métaux. Pour l'obtention de pistes métalliques, on utilise avantageusement des composés organométalliques d'or, d'argent, de platine et de palladium ; pour La réalisation de pistes en un oxyde, on utilise par exemple des organosilanes de titane, de silicium, de pLomb, de bore, etc. Ainsi, le procédé de L'invention permet la réalisation d'un circuit intégré multicouche comportant des résistances électriques en platine et des amenées de courant à ces résistances en or. De même, il permet la fabrication d'un circuit intégré comportant des condensateurs dont les armatures sont en or et dont le diélectrique interposé entre ces armatures est en oxyde de silicium. Lorsque le composé minéral des pistes est conducteur, il est possible d'épaissir ce composé par un métal conducteur pour modifier les propriétés électriques des pistes ou simplement lorsque l'épaisseur de la couche du composé minéral conducteur est jugée insuffisante. Ce métal additionnel peut être déposé soit à partir d'un composé organométallique en utilisant le procédé de l'invention, soit pLus simplement par électrolyse. Ce dépôt électrolytique est généralement de l'or, du cuivre ou du nickel. Le substrat sur Lequel sont fabriqués ces circuits hybrides peut être quelconque à condition toutefois d'être un isolant électrique et de supporter les températures mises en jeu pour les traitements thermiques. En particulier, ce substrat est de la silice, de L'alumine, du nitrure d'aluminium, c'est-à- dire un substrat classiquement utilisé pour la fabrication des circuits hybrides. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortirons mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les figures la à 1k représentent schématiquement, en coupe longitudinale, les différentes étapes de fabrication d'un réseau de résistances entre deux lignes d'interconnexions, conformément à l'invention, - la figure 2 est une variante de réalisation de la figure îc, - les figures 3a à 3c représentent schématiquement, en coupe longitudinale, la fabrication d'un condensateur, conformément à l'invention. On décrit tout d'abord la fabrication d'une résistance électrique de platine entre deux lignes d'interconnexions en or sur un substrat en alumine. La première étape de ce procédé, (étape a) représentée sur la figure la, consiste à déposer sur l'ensemble du substrat 2 en alumine une couche de résine photosensible positive et en particulier une couche de -AZ 1350 H de chez Shippley que l'on expose aux ultraviolets au travers d'un masque photo reproduisant le motif inverse de celui des lignes conductrices en or à réaliser. Après révélation de la résine, on obtient la structure représentée sur la figure la. Le masque de résine obtenu porte la référence 4 et ses ouvertures 6 fixent l'emplacement et les positions des lignes conductrices en or à réaliser. Ce masque 4 a une épaisseur de 2 000nm environ. Sur l'ensemble de la structure, on dépose alors une couche 8 d'un organométaLlique d'or par sérigraphie ou par centrifugation (étape d). Cette couche 8 a une épaisseur > à 4 000 nm et l'organométallique utilisé est un mercaptide tertiaire d'or tel que celui vendu par la société JHONSON MATTHEY sous la référence GB 1002. La structure obtenue est celle représentée sur la figure lb. On effectue ensuite un traitement thermique de 15 minutes environ à 3000C assurant la destruction des molécules organométalliques et libérant le métal précieux qui se dépose sur l'ensemble de la structure (étape ). On obtient ainsi la structure représentée sur la figure 1c ; la couche d'or obtenue porte alors la référence 10. Afin d'améliorer la conduction électrique, il est possible, comme représenté sur la figure 2, de déposer électrolytiquement une couche de cuivre 12 sur la couche d'or 10. On forme alors un second masque de résine photolithographique positive sur la structure obtenue, comme cela est représenté sur la figure Id (étape d). Ce second masque porte la référence 14 et ses motifs sont ceux des lignes d'interconnexions en or à réaliser. En particulier, la résine masque Les régions de la couche d'or 10 destinées à constituer les amenées de courant de la résistance électrique. Ce masque 14 est obtenu par dépôt d'une couche de 2000nm de résine AZ 1350 H de chez Shippley que l'on expose aux ultraviolets à travers un masque photo reproduisant le motif direct des lignes d'or à réaliser. Après révélation, on obtient la structure de la figure Id. L'étape suivante (e) consiste à attaquer la couche d'or 10 dans une solution d'iode et d'iodure de potassium contenant en poids 59 d'iode et 259 d'iodure pour 100cc d'eau, ou dans une solution d'eau régale. La structure obtenue est celle de la figure le. Après cette attaque, seules restent les régions 10a de la couche d'or protégées par le masque 14. On effectue alors un traitement thermique de l'ensemble de la structure à 8500C permettant ainsi aux lignes d'or 10a d'acquérir leurs propriétés électriques et mécaniques définitives (étape f). En outre, ce traitement thermique assure la transformation à 100% des deux masques de résine en produits volatils. Les deux lignes conductrices en or sont alors réalisées et la structure finale est celle représentée sur la figure if. Les opérations a à f sont ensuite répétées pour former une résistance électrique entre les deux lignes d'or 10a, mais en utilisant cette fois un composé organométallique de platine ; les autres conditions opératoires sont en tout point identiques. Comme pour la réalisation des lignes conductrices, on forme tout d'abord un masque de résine 18 dont les motifs sont inverses de celui de la résistance en platine à réaliser. En particulier, ce masque 18 comporte une ouverture 20 fixant l'emplacement et les dimensions de la résistance à réaliser. Ce masque 20 est obtenu par dépôt d'une couche de résine photosensible, exposition aux ultraviolets à travers un photomasque représentant le motif inverse de la résistance à réaliser puis révélation. La structure obtenue est celle de la figure 1g. La résine de masquage est la même que celle citée précédemment. On effectue alors, comme représenté sur La figure 1h, le dépôt d'une couche d'organométallique de platine 22 et en particulier une couche de phtalate de platine (tel que celui vendu par la société DEGUSSA sous la référence PT 76 TB/AF) d'environ 4000nm d'épaisseur sur l'ensemble de la structure. Un traitement thermique de 15 minutes à 3000C détruit les molécules organiques de platine et libère le métal qui se dépose sur l'ensemble de la structure. La couche de platine obtenue porte la référence 24 comme représenté sur la figure li. On forme alors un second masque 26 de résine dont les motifs sont ceux de la résistance à réaliser. En particulier ce masque 26 masque les régions de la couche 24 à conserver. Ce masque de résine est obtenu comme précédemment par dépôt d'une couche photosensible, exposition aux ultraviolets puis révélation. Ensuite, la couche de platine 24 est attaquée dans une solution d'acide chlorhydrique et nitrique contenant 7 volumes d'acide chlorhydrique et 1 volume d'acide nitrique pour 8 volumes d'eau. Cette attaque permet de ne garder que les zones de platines 24a protégées par Le masque 26. La structure obtenue est celle représentée sur la figure îj. On effectue alors un traitement thermique à 8500C donnant au platine ses propriétés électriques et mécaniques définitives, sans altérer les amenées de courant 10a en or, et volatilisant Les deux masques de résines 20 et 26. La structure désirée est alors achevée, comme représenté sur la figure 1k. Cette structure comporte deux lignes d'or 10a jouant le rôle de terminaison pour une résistance électrique de platine 24a. Une telle structure est impossible à obtenir en utilisant les technologies classiques de photogravure du fait qu'il n'existe pas de solution d'attaque chimique sélective pour l'or et le platine. Avec le procédé de L'invention, il est possible de réaliser des réseaux de 50 lignes conductrices par millimètre. Il est alors possible de poursuivre le procédé décrit en référence aux figures la-I k pour former des motifs en oxyde de silicium et réaliser ainsi un réseau de diéiectriques sans altérer Les lignes d'or et les résistances de platine. Il est ainsi possible de réaliser des circuits hybrides multicouches ou des condensateurs. Ces motifs en SiO sont obtenus comme 2 précédemment par formation d'un premier masque de résine sur l'ensemble de la structure dont les motifs sont inverses de ceux des motifs d'oxyde à réaliser (étape a) ; dépôt d'une couche d'un organométallique de silicium sur l'ensemble de la structure, de 4 000nm d'épaisseur (étape b) ; traitement thermique de cet organométallique pour en éliminer les molécules organiques et libérer Le silicium qui se dépose sous la forme d'oxyde de silicium sur L'ensemble du substrat (étape c) ; formation d'un second masque de résine photolithographique dont les motifs sont ceux de L'oxyde à réaliser (étape d) ; élimination des régions de l'oxyde déposé, non masquées par le second masque (étape e) ; puis traitement thermique de ta structure pour détruire les masques de résine et donner les propriétés diélectriques recherchées pour l'oxyde (étape f). Cet oxyde de silicium est essentiellement de la silice (SiO ). 2 L'élimination des régions de la couche de silice, non recouvertes du second masque est réalisée avec une solution d'acide fluorhydrique à 30X en volume, n'altérant pas les réseaux d'or et de platine. Les zones situées entre les différents motifs, lors des étapes d'attaque chimique, étant constamment protégées par de la résine photosensible, on obtient une absence de résidu de gravure entre ces motifs, permettant ainsi d'obtenir des circuits hydrides multicouches ou des composants actifs fiables. En outre, le procédé de L'invention est parfaitement reproductible. Avec le procédé conforme à L'invention, il est possible de réaliser un condensateur. Les étapes essentielles de fabrication de ce condensateur sont représentées sur les figures 3a-3c. On réalise tout d'abord une électrode inférieure 27 en or, de I 000nm d'épaisseur, sur un substrat d'alumine 28, selon le processus décrit précédemment en référence aux figures 1a-1f. On réalise ensuite le diélectrique 30 du condensateur. Ce diélectrique est de l'oxyde de silicium, de 500 nm d'épaisseur, obtenu dans les mêmes conditions que précédemment, pour obtenir la structure de la figure 3b. Ensuite, on réalise, comme précédemment, la seconde armature 32 du condensateur en or de 1000nm d'épaisseur. Afin d'assurer une connexion de ce condensateur, de formule générale 34, avec d'autres composants actifs d'un même circuit, les armatures 27 et 32 comportent des parties latérales respectivement 27a et 32a débordant du diélectrique 30. La description donnée précédemment a été donnée bien entendu à titre illustratif, d'autres composants que ceux décrits pouvant être réalisés grâce au procédé de l'invention. De plus, l'élimination des couches de résine peut être réalisée par dissolution dans une solution chimique appropriée telle qu'une solution d'acétone ou par une attaque plasma avec un plasma d'oxygène, le second traitement thermique à 8500C étant alors maintenu pour donné les propriétés électriques et mécaniques recherchées à la couche métallique ou d'oxyde. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un circuit hybride multicouche comportant un substrat équipé de pistes en un composé minéral conducteur ou diélectrique, comprenant les étapes suivantes : a) - formation d'un premier masque (4, 20) de résine photolithographique sur le substrat (2) dont les motifs sont inverses de ceux des pistes à réaliser, b) - dépôt d'une couche (8, 22) d'au moins un composé organométallique apte à précipiter sur le substrat, sous forme dudit composé minéral, lors d'un traitement thermique, c) - premier traitement thermique de la couche d'organométallique pour en éliminer les molécules organiques et libérer le composé minéral (10, 24) qui se dépose sur l'ensemble du circuit, d) - formation d'un second masque (14, 26) de résine photolithographique sur la structure obtenue en c, dont les motifs sont ceux des pistes à réaliser, e) - élimination des régions du composé minéral déposé, non masquées par le second masque, f) - second traitement thermique de la structure obtenue en e pour détruire les premier et second masques de résine et donner Les propriétés électriques et mécaniques recherchées au composé minéral desdites pistes (10a, 24a, 26, 30, 32). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape c consiste à chauffer la structure obtenue en b à une température de 300 à 4000C. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que L'étape f consiste à chauffer la structure obtenue en e à une température de 600 à 85O0C. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on utilise au moins un composé organométallique d'un métal noble pour la réalisation de pistes métalliques (10a, 24a, 26, 32). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on utilise au moins un composé organométallique d'un métal non noble pour réaliser des pistes en oxyde métallique (30). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le composé organométallique est un thiolate. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le composé minéral est choisi parmi l'or, le platine et l'oxyde de silicium. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le composé minéral (10) etant conducteur, on épaissit ce dernier par dépot électrolytique d'une couche conductrice (12). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la couche d'organométallique est déposée par sérigraphie ou centrifugation. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, appliqué à la fabrication d'un circuit intégré comportant des résistances électriques (24a) en platine et des amenées de courant (10a) à ces résistances en or. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, appliqué à la fabrication d'un circuit intégré comportant des condensateurs (34) dont les armatures (26, 32) sont en or et le diélectrique (30) interposé entre ces armatures est en oxyde de silicium.