Brevet FR2842943A1 — publié le 20040130

PROCEDE DE FABRICATION DE FILM POLYMERE CONDUCTEUR ANISOTROPE SUR TRANCHE DE SEMI-CONDUCTEUR Domaine technique et art antérieur: L'invention concerne un procédé de fabrication de film polymère conducteur anisotrope sur tranche de semiconducteur. L'invention concerne également un procédé de fabrication de puce semi-conductrice munie d'un film polymère conducteur anisotrope ainsi qu'une puce semi-conductrice munie d'un film polymère conducteur anisotrope. Avec l'essor du multimédia, de nombreux dispositifs électroniques doivent être capables de gérer, de traiter et de transmettre rapidement et facilement une grande quantité d'informations. Ces dispositifs nécessitent un accroissement de la densité des interconnexions ainsi qu'une diminution de leur poids et de leur cot de fabrication. Il existe plusieurs grandes familles de techniques pour connecter des puces et des circuits intégrés à des substrats d'interconnexion comme, par exemple, la technique de connexion par billes dite technique " flip- chip " et la technique ACF (ACF pour " Anisotropic Conductive Film "). Ces techniques présentent un certain nombre d'avantages pour l'intégration des circuits. Compte tenu de la répartition surfacique des plots d'interconnexion, elles offrent la capacité de connecter des puces à haute densité d'interconnexions dans un volume réduit tout en maintenant ou en améliorant les performances électriques, notamment en diminuant les effets de selfinductance. Ces techniques sont utilisées, par exemple, dans les téléphones cellulaires et, plus généralement, dans les dispositifs multimédia, comme cela a été mentionné ci-dessus. B 14041.3 PR Parmi les techniques de type " flip-chip ", la technologie par microbilles fusibles est celle qui prédomine actuellement. Cette technologie repose sur la mise en òuvre d'un procédé sur tranche complète de matériau semi-conducteur nécessitant deux niveaux de lithographie: un premier niveau pour définir la métallurgie d'accrochage des microbilles et un second niveau dédié au dépôt électrolytique de matériaux fusibles. Ce procédé n'est pas utilisable pour l'interconnexion de puces découpées ou lorsque le nombre de tranches à traiter est trop faible pour justifier le dessin de masques spécifiques nécessaires à l'étape de lithographie. La technique ACF concerne des films conducteurs faits de particules conductrices incorporées dans un film isolant ou d'inserts métalliques inclus dans un film isolant. Les films ACF à particules conductrices incorporées dans un film isolant sont les plus connus. Ce type de film est basé sur une répartition aléatoire de particules conductrices dans une matrice polymère. Les particules conductrices ont typiquement un diamètre de quelques microns. Ce sont soit des billes de polymère recouvertes de métal, soit des billes de métal qui peuvent être, par exemple, en nickel ou en argent. L'interconnexion est obtenue en collant le film entre le substrat et la puce, le collage étant suivi d'une thermocompression. L'interconnexion d'une puce et d'un substrat à l'aide d'un film à particules conductrices est représenté en figure lA. Une puce 1 munie de plots conducteurs 5 est reliée à un substrat 2 muni de plots conducteurs 7. Un film ACF constitué d'un film isolant 3 dans lequel sont incorporées des particules conductrices 4 est placé entre la puce et le substrat. Des bossages 6 établissent le contact entre les plots B 14041.3 PR conducteurs et le film ACF. Ce type d'interconnexion conduit à une résistance électrique de contact relativement élevée, ce qui réduit le champ de ses domaines d'application. Une application connue est, par exemple, le domaine des écrans plats. L'inconvénient mentionné ci-dessus a conduit à la conception des films ACF à inserts métalliques traversants. La fabrication d'un film ACF à inserts métalliques traversants est basée sur l'insertion ordonnée de microstructures métalliques dans une nappe de polymère. L'interconnexion d'une puce et d'un substrat à l'aide d'un film à inserts métalliques traversants est représenté en figure 1B. Le film ACF est constitué d'un film isolant 8 dans lequel sont placés des inserts métalliques 9. Une forte redondance du nombre de contacts par plot assure un contact homogène de faible résistivité et permettant de passer des courants importants. L'utilisation des films ACF entraîne cependant plusieurs problèmes parmi lesquels celui de la fiabilité du contact électrique. En effet, il se forme des couches oxydées sur les extrémités des inserts métalliques et sur les plots d'interconnexion de la puce, ce qui conduit à fortement réduire la qualité des contacts électriques. Une solution a été proposée à ce problème, à savoir, l'ajout d'un matériau fusible aux extrémités des inserts métalliques. Cependant, le matériau fusible est susceptible de fluer pendant sa refonte et, partant, de mettre en court-circuit les inserts métalliques. De plus, des impuretés peuvent être rapportées entre le film et la puce ou entre le film et son substrat pendant l'hybridation. Un autre problème est lié à la manipulation des films ACF de faible épaisseur. Les films sont réalisés sur un support sacrificiel rigide qu'il faut séparer du B 14041.3 PR film ACF avant l'hybridation. Il faut alors assembler trois éléments, la puce, le film et le substrat. La présente invention ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un procédé de fabrication de film polymère conducteur anisotrope sur une tranche de semi-conducteur recouverte, sur une face, d'une couche de passivation dans laquelle est pratiquée au moins une ouverture laissant apparaître un plot de connexion électrique. Le procédé comprend les étapes successives suivantes: - dépôt en pleine couche d'un matériau conducteur et adhérent sur la couche de passivation et sur le plot de connexion, - dépôt en pleine couche d'au moins une couche métallique sur la couche de matériau conducteur et adhérent, - dépôt d'une couche de polymère photosensible sur la couche métallique, - insolation et développement de la couche de polymère photosensible à travers un masque afin de former des trous traversants, - remplissage des trous traversants par un ou plusieurs matériaux conducteurs de façon à former un insert conducteur dans chaque trou, - suppression de la couche de polymère photosensible, - gravure de la couche métallique et de la couche de matériau conducteur et adhérant dans les zones situées entre les inserts, - dépôt d'une couche de matériau isolant entre les inserts conducteurs. Selon une variante, le procédé selon l'invention comprend, entre l'étape de remplissage des B 14041.3 PR trous traversants par un ou plusieurs matériaux conducteurs et l'étape de suppression de la couche de polymère, les étapes successives suivantes dépôt d'une résine photosensible sur la couche de polymère photosensible dans laquelle sont formés les inserts conducteurs, - insolation et développement de la résine photosensible à travers un masque de sorte que seule une pastille de résine demeure au sommet d'une première extrémité de chaque insert, - gravure chimique isotrope des premières extrémités des inserts conducteurs jusqu'au retrait des pastilles de résine de sorte qu'une pointe apparaisse sur la première extrémité de chaque insert conducteur. L'invention concerne également un procédé de fabrication de puce semiconductrice. Le procédé comprend un procédé de fabrication de film polymère conducteur anisotrope sur tranche de semi-conducteur selon l'invention et une étape de découpe d'une structure issue dudit procédé de fabrication de film polymère conducteur anisotrope sur tranche de semiconducteur. L'invention concerne encore une puce semi25 conductrice comprenant, sur une face, une couche de passivation dans laquelle est pratiquée au moins une ouverture laissant apparaître un plot de connexion. La puce comprend, sur la couche de passivation et le plot de connexion, un film polymère conducteur anisotrope constitué d'inserts conducteurs enserrés dans un matériau isolant, un insert conducteur ayant une première extrémité faisant saillie hors du matériau isolant et une deuxième extrémité mise au contact de la couche de passivation ou du plot de connexion par l'intermédiaire d'un élément conducteur. B 14041.3 PR Le film conducteur anisotrope selon l'invention est réalisé directement sur une tranche de matériau semi-conducteur dans laquelle sont présents des éléments actifs et/ou passifs de type circuits intégrés. Le procédé selon l'invention permet d'assurer une excellente liaison électrique entre les métaux mis en contact. Les inserts métalliques sont reliés aux plots d'interconnexion de manière quasi irréversible grâce à un matériau d'accroche non fusible. Le film polymère conducteur anisotrope permet de réaliser des contacts puce-substrat présentant une faible résistance électrique, une bonne solidité mécanique et une bonne fiabilité. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles - les figures lA et lB représentent l'interconnexion d'une puce et d'un substrat selon l'art connu, à l'aide, respectivement, d'un film polymère conducteur anisotrope à particules conductrices et d'un film polymère conducteur anisotrope à inserts conducteurs; - la figure 2 représente une puce équipée d'un film polymère conducteur anisotrope selon l'invention; - les figures 3A-3I représentent un procédé de fabrication de film polymère conducteur anisotrope sur tranche de semi-conducteur selon l'invention, - les figures 4A-4F représentent une variante du procédé de fabrication représenté aux figures 3A-3I. Sur toutes les figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments. B 14041.3 PR Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention La figure 2 représente un exemple de puce semiconductrice équipée d'un film polymère conducteur anisotrope selon l'invention. Une puce 10 est munie d'un plot d'interconnexion 11 placé dans une ouverture d'une couche de passivation 12. Un film conducteur 13 comprenant une couche de matériau isolant 14 dans laquelle sont placés des inserts conducteurs 15 recouvre la couche de passivation 12 et le plot de connexion 11. Un insert métallique 15 a une première extrémité qui fait saillie hors du film isolant 14 et une deuxième extrémité reliée par un élément conducteur 16 à la couche de passivation 12 ou au plot conducteur 11. L'élément conducteur 16 est constitué d'une pastille métallique 17 et d'un élément d'accrochage 18. Le procédé de fabrication de film polymère conducteur sur tranche de semiconducteur selon l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 3A-3I. Le procédé est mis en oeuvre à partir d'une tranche de matériau semiconducteur. Une tranche de semi-conducteur T est recouverte, sur une face, d'une couche de passivation 12 dans laquelle sont pratiquées des ouvertures laissant apparaître des plots de connexion il (cf. figure 3A). La première étape du procédé est le dépôt en pleine couche d'un matériau conducteur et adhérent 19 sur la couche de passivation 12 et les plots de connexion il (cf. figure 3B). Le matériau conducteur et adhérent 19 est, par exemple, du Ti, Cr, W, Ta, etc. Cette étape est préférentiellement réalisée après un décapage de la surface des plots. Le dépôt d'au moins une couche métallique 20 (Cu, Ni, Ti, Au, Al, etc.) est ensuite effectué sur la couche 19 B 14041.3 PR (cf. figure 3C). La couche métallique 20 est destinée à servir de couche d'apport de courant électrique au moment de la croissance électrolytique des inserts conducteurs. On dépose ensuite une couche de polymère photosensible 21 de type résine sur la couche métallique 20 (cf. figure 3D). L'épaisseur de la couche de polymère photosensible 21 est comprise entre quelques pim et plusieurs dizaines de pm. La couche 21 est ensuite insolée à travers un masque afin de former des trous traversants 22 (cf. figure 3E). Typiquement les trous peuvent avoir une profondeur de quelques pum à plusieurs dizaines de gum, selon l'épaisseur de la couche 21. Le masque permettant la formation des trous assure une répartition homogène et redondante de ceux15 ci. Les trous sont ensuite remplis par un ou plusieurs matériaux conducteurs (Cu, Ni, Ti, Cr, W, SnPb, Au, Ag, etc.), par exemple par voie électrolytique, pour former des inserts conducteurs 23 (cf. figure 3F). La résine est alors supprimée, par exemple par dissolution, (cf. figure 3G) et les couches métalliques déposées en pleine couche sont gravées sélectivement dans les zones situées entre les inserts (cf. figure 3H). Les plots de connexion il sont alors électriquement isolés les uns des autres. Cette étape peut se réaliser par voie sèche ou chimique, cette dernière étant préférée. Un matériau isolant 24 est déposé sur la plaque, recouvrant partiellement les inserts métalliques (cf. figure 3I). Dans le cas o le matériau isolant recouvre entièrement les inserts, on procède à une gravure pour les mettre à jour. Ce matériau est préférentiellement un polymère tel qu'un polyimide, un matériau thermoplastique, une résine photosensible ou tout type de colle. Il est également possible d'étaler un verre fusible communément appelé " Spin On Glass ". B 14041.3 PR Pour obtenir une puce semi-conductrice selon l'invention, il suffit alors de découper la tranche de semi-conducteur recouverte de film polymère conducteur anisotrope en autant de puces élémentaires qu'il est nécessaire. Une variante du procédé de fabrication de film polymère conducteur selon l'invention va maintenant être décrite en référence aux figures 4A-4F. Selon cette variante, les inserts conducteurs ont une extrémité pointue permettant une amélioration du contact électrique du film polymère conducteur anisotrope et des substrats sur lesquels on désire reporter les puces. Le procédé selon la variante de l'invention comprend des étapes supplémentaires entre l'étape de formation des inserts conducteurs (cf. figure 3F) et l'étape de suppression de la couche de polymère photosensible (cf. figure 3G). Selon la variante de l'invention, à l'étape de formation des inserts conducteurs, succède ici le dépôt d'une résine photosensible 25 sur l'ensemble des inserts (cf. figure 4A). La résine photosensible est insolée à travers un masque de sorte que seule une pastille de résine 26 demeure au sommet de chaque insert (cf. figure 4B). Une gravure isotrope, par exemple par voie humide ou sèche (par exemple acide nitrique dilué pour des inserts en nickel), des inserts est alors réalisée (cf. figure 4C) jusqu'à ce que les pastilles de résine soient retirées (cf. figure 4D). Une pointe 27 apparaît alors à l'extrémité de chaque insert. Le procédé se poursuit alors selon les étapes mentionnées précédemment, à savoir, suppression de la couche de polymère photosensible et gravure sélective des couches métalliques déposées en pleine couche (cf. figure 4E). A la gravure sélective des couches B 14041.3 PR métalliques succède le dépôt d'un matériau isolant 24 recouvrant les inserts à l'exception des pointes 27 (cf. figure 4F). La présence d'un film polymère conducteur anisotrope réalisé directement sur une puce, comme cela est décrit ci-dessus, simplifie considérablement le procédé d'hybridation de la puce sur un substrat. En effet, il n'est alors plus nécessaire de manipuler un film pour l'interposer entre la puce et le substrat. Seuls deux éléments sont à manipuler, la puce et le substrat. De plus, grâce à la couche d'accrochage présente sous les inserts, le contact électrique du film polymère conducteur anisotrope sur la puce est de très bonne qualité. D'autres avantages du procédé selon l'invention peuvent être soulignés. Ainsi, la fabrication d'un film polymère conducteur anisotrope selon le procédé de l'invention ne nécessite-t-il pas d'étape d'alignement critique puisque la redondance des trous effectués lors de l'étape de gravure (cf. figure 3E) conduit à une redondance des inserts conducteurs telle qu'il y a nécessairement des inserts au-dessus des plots à connecter. Un autre avantage consiste en ce que la fabrication d'un film polymère conducteur anisotrope selon le procédé de l'invention permet d'utiliser tout type de polymère, voir même du verre fusible. B 14041.3 PR REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de film polymère conducteur anisotrope sur une tranche de semi5 conducteur comprenant, sur une face, une couche de passivation (12) dans laquelle est pratiquée au moins une ouverture laissant apparaître un plot de connexion (11), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes: - dépôt en pleine couche d'un matériau conducteur et adhérent (19) sur la couche de passivation (12) et sur le plot de connexion (11) de la plaquette de semi-conducteur, - dépôt en pleine couche d'au moins une couche métallique (20) sur la couche de matériau conducteur et adhérent (19), - dépôt d'une couche de polymère photosensible (21) sur la couche métallique (20), - insolation et développement de la couche de polymère photosensible (21) à travers un masque afin de former des trous traversants (22), - remplissage des trous traversants (22) par un ou plusieurs matériaux conducteurs de façon à former un insert conducteur (23) dans chaque trou, - suppression de la couche de polymère photosensible (21), - gravure de la couche métallique (20) et de la couche de matériau conducteur et adhérant (19) dans les zones situées entre les inserts conducteurs, - dépôt d'une couche de matériau isolant (24) entre les inserts conducteurs. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, entre l'étape de remplissage des trous traversants (22) et l'étape de B 14041.3 PR suppression de la couche de polymère, les étapes successives suivantes: dépôt d'une résine photosensible sur la couche de polymère photosensible dans laquelle sont formés les inserts conducteurs, - insolation et développement de la résine photosensible à travers un masque de sorte que seule une pastille de résine (26) demeure au sommet d'une première extrémité de chaque insert, - gravure chimique isotrope des premières extrémités des inserts jusqu'au retrait des pastilles de résine de sorte qu'une pointe (27) apparaisse sur la première extrémité de chaque insert. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le remplissage des trous traversants est effectué par croissance électrolytique. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la gravure de la couche métallique (20) et de la couche de matériau conducteur et adhérant (19) est une gravure humide ou une gravure sèche. 5. Procédé de fabrication de puce semiconductrice, caractérisé en ce qu'il comprend un procédé de fabrication de film polymère conducteur anisotrope sur une tranche de semi-conducteur selon l'une des revendications 1 à 4 et une étape de découpe d'une structure obtenue par ledit procédé de fabrication de film polymère conducteur anisotrope. 6. Puce semi-conductrice comprenant, sur une face, une couche de passivation (12) dans laquelle est pratiquée au moins une ouverture laissant apparaître un B 14041.3 PR plot de connexion (11), caractérisée en ce qu'elle comprend, sur la couche de passivation (12) et le plot de connexion (11), un film polymère conducteur anisotrope constitué d'inserts conducteurs (15) enserrés dans un matériau isolant (14), un insert conducteur (15) ayant une première extrémité faisant saillie hors du matériau isolant (14) et deuxième extrémité mise au contact de la couche de passivation (12) ou du plot de connexion (11) par l'intermédiaire d'un élément conducteur (16). 7. Puce semi-conductrice selon la revendication 6, caractérisée en ce que les premières extrémités sont en forme de pointes (27). 8. Puce semi-conductrice selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que le matériau isolant est un polyimide, un matériau thermoplastique, une résine photosensible ou une colle. 9. Puce semi-conductrice selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que le matériau isolant est un verre fusible. B 14041.3 PR