Brevet FR2964246A1 — publié le 20120302

B 10-2291 FR 1 Procédé d'assemblage de deux parties d'un circuit L'invention concerne les circuits intégrés et plus particulièrement l'assemblage de deux parties, par exemple des circuits intégrés réalisés indépendamment, de façon à réaliser une structure tridimensionnelle intégrée. Les assemblages de circuits intégrés comprennent généralement deux circuits intégrés fabriqués indépendamment puis liés l'un à l'autre par une méthode de collage permettant la continuité de certaines lignes métalliques entre les deux circuits intégrés. Les assemblages existants comprennent généralement des interconnexions verticales traversantes destinées à rejoindre un deuxième circuit intégré en traversant toute l'épaisseur d'un des deux substrats de silicium. La réalisation de telles interconnexions verticales, dites TSV « through silicon vias », comprend un amincissement d'un des deux substrats, une gravure ionique réactive profonde, et un collage pouvant nécessiter un adhésif. La réalisation de ces interconnexions verticales traversantes a pour inconvénients de rallonger la durée de la fabrication de l'assemblage et d'être onéreuse. Il a été proposé de réaliser des interconnexions à travers des substrats de type silicium sur isolant. Ces interconnexions traversent les couches d'oxydes de substrats dont la couche de silicium formant le substrat massif a été enlevée. La couche d'oxyde de ces substrats fournit l'isolation verticale nécessaire entre les composants. Cette technique a pour inconvénients de n'être applicable qu'à des substrats de type silicium sur isolant. L'approche dite « Direct Bond Interconnect », de la société américaine Ziptronix, permet d'assembler deux parties de circuit intégré en collant directement des couches contenant de l'oxyde et du métal. Il a également été proposé de coupler capacitivement les lignes métalliques en ne collant que l'oxyde après une étape de planarisation. Ces connexions capacitives ont pour inconvénient de ne pouvoir être utilisées que pour certaines applications, et la réduction de leurs dimensions est limitée. I1 a enfin été proposé de procéder à un collage de l'oxyde recouvrant deux parties de circuit intégrée, en laissant des cavités débouchant sur les lignes métalliques, et de procéder à un recuit avec expansion de volume du métal contenu dans les cavités jusqu'à former un assemblage métallique entre les deux parties de circuit intégré. Selon un mode de mise en oeuvre il est proposé d'assembler deux circuits intégrés sans interconnexions métalliques traversant le substrat d'au moins un circuit intégré. Selon un autre mode de mise en oeuvre, il est proposé d'assembler deux circuits intégrés en ne collant que les régions isolantes recouvrant les lignes métalliques d'interconnexions. Selon un aspect, il est donc proposé un procédé de réalisation d'une structure tridimensionnelle intégrée par assemblage d'au moins deux parties comportant chacune au moins une ligne métallique recouverte d'une région de recouvrement possédant une face libre, comprenant : - une formation dans chaque partie, d'au moins une cavité dans la région de recouvrement débouchant sur la ligne métallique ; - une fixation mutuelle des deux régions de recouvrement par au moins une portion de leur face libre de façon à ce que lesdites cavités soient en regard l'une de l'autre ; - une formation d'un assemblage métallique des deux lignes comportant une électromigration du métal de l'une au moins des lignes métalliques à travers les cavités. Ainsi, l'électromigration permet de déplacer les atomes de métal de l'une au moins des lignes métalliques pour combler les cavités. Avantageusement, la formation de l'assemblage métallique comprend en outre un recuit effectué lors de l'électromigration. La combinaison de l'électromigration et du recuit permet d'accélérer la formation d'un assemblage métallique entre les deux lignes. En outre, la température est un facteur favorisant l'électromigration. L'électromigration comprend l'application d'un courant à travers au moins l'une des lignes métalliques des deux parties au moyen d'au moins deux bornes d'une des deux parties. En outre, on peut contrôler la formation de l'assemblage métallique des deux lignes en mesurant l'augmentation de la résistance des lignes dans lesquelles a lieu l'électromigration. De ce fait, on peut arrêter l'électromigration dès que l'assemblage métallique est formé, ce qui permet de contrôler la durée de l'étape précisément. Avantageusement, on équipe les lignes métalliques dans lesquelles a lieu l'électromigration de réservoirs de matière métallique. Ainsi, la formation des assemblages métalliques ne crée pas de défaillances au sein des lignes métalliques, le surplus de matière contenu dans les réservoirs permettant de remplacer la matière déplacée. L'électromigration peut avoir lieu au sein d'au moins une ligne de chacune des deux parties. L'assemblage peut comporter des assemblages respectifs de premiers circuits intégrés sur des deuxièmes circuits intégrés réalisés au sein d'une plaque semi-conductrice. Les faces libres des premiers circuits intégrés ont une surface plus petite que les faces libres des deuxièmes circuits intégrés et on réalise l'électromigration en appliquant un courant sur les lignes métalliques des deuxièmes circuits intégrés par des bornes de ces deuxièmes circuits intégrés situés à l'extérieur des premiers circuits intégrés respectifs. En variante, les premiers circuits intégrés sont réalisés au sein d'une plaque semi-conductrice, et on assemble les deux plaques en assemblant chaque circuit intégré d'une plaque avec un circuit intégré de l'autre plaque. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'étude de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 4 sont des vues en coupe illustrant différentes étapes d'un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; et - les figures 5 et 8 sont des vues en coupe illustrant d'autres modes de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La figure 1 est une vue en coupe illustrant deux parties, par exemple des parties de circuits intégrés 1 et 2, destinées à être assemblées pour former une structure tridimensionnelle intégrée. L'ensemble de la puce semi-conductrice de chacune des deux parties 1 et 2 n'est pas représenté pour des raisons de simplifications. Ainsi, la partie non représentée pourra contenir des transistors ou tout autre dispositif semi-conducteur connu. La partie 1 comprend une ligne métallique 3 et la partie 2 comprend une ligne métallique 4. Avantageusement, ces lignes métalliques sont disposées sur le niveau de métallisation le plus élevé de chacun des circuits intégrés 1 et 2, par exemple, le niveau de métallisation 7 ou 8 d'un circuit intégré, sur lequel les lignes métalliques ont des épaisseurs de l'ordre du micromètre. Les lignes métalliques 3 et 4 sont entourées ici par deux couches d'encapsulation 5a et 5b. Pour des lignes métalliques 3 et 4 en cuivre, la couche inférieure d'encapsulation 5a peut être formée d'une première couche de nitrure de tantale permettant de limiter la diffusion du cuivre dans le silicium, une deuxième couche de tantale permet de faciliter l'adhésion du cuivre, et une troisième couche non représentée de cuivre pour permettre le dépôt par électrolyse du cuivre des lignes 3 et 4. La couche supérieure 5b est formée par une couche de SiCN. Une région isolante 6 est formée sur la ligne métallique 3 et une deuxième région isolante 7 est formée sur la ligne métallique 4. Les régions isolantes 6 et 7 peuvent être de l'oxyde de silicium. Les couches 5a et 5b et la région isolante 6 forment une région de recouvrement possédant une face libre 60. Les couches 5a et 5b et la région isolante 7 forment une région de recouvrement possédant une face libre 70. Dans la partie de circuit intégré 1, on réalise une gravure à travers la région isolante 6 et les couches d'encapsulation 5a et 5b de manière à former une cavité 8 débouchant sur la ligne métallique 3. De la même façon, on forme une cavité 9 débouchant sur la ligne métallique 4 dans le circuit intégré 2. Les cavités 8 et 9 ont des dimensions de l'ordre du micromètre, ce qui permet une intégration d'un grand nombre de ces cavités sur le même circuit intégré. Avantageusement, la formation des cavités 8 et 9 est suivie d'une étape de préparation de surface des régions de recouvrement (6, 7) par polissage mécano chimique. La figure 2 illustre l'étape de fixation des deux parties 1 et 2. Cette étape comporte ici un collage direct (parfois appelé collage moléculaire). Le polissage mécano chimique permet de procéder à un tel collage des régions isolantes 6 et 7 par l'intermédiaire des faces libres 60 et 70. L'étape de fixation peut en outre être précédée d'une étape d'alignement. En appliquant un courant à travers la ligne 4, une étape d'électromigration du métal de la ligne 4 permet de commencer à remplir la cavité 9, comme illustré sur la figure 3. La cavité 9 est donc partiellement remplie par une excroissance 10 du métal. La densité de courant appliquée dans la ligne doit être choisie suffisamment haute pour provoquer l'électromigration, on peut par exemple prendre comme valeur 5.106A/cm2. Un recuit peut être réalisé en même temps que l'électromigration. La température accélérera le phénomène d'électromigration, et on peut par exemple utiliser une température de l'ordre de 400°C. Le procédé continue jusqu'à l'obtention d'un assemblage métallique 11 entre les deux lignes 3 et 4 (figure 4). La figure 5 est une vue en coupe d'un assemblage de la partie 1 avec une autre partie de circuit intégré 2. La vue en coupe de cette figure est réalisée pendant l'électromigration. Un courant a été appliqué à travers la ligne 3 de manière à partiellement remplir la cavité 8 avec du métal 12, et la cavité 9 a été partiellement rempli par du métal 10. La partie de circuit intégré 2 comporte un autre niveau de métallisation, relié à la ligne 4 par deux vias 13 et 14 qui rejoignent respectivement les lignes métalliques 15 et 16. Le courant appliqué à travers la ligne 4 provoque un déplacement de matière depuis l'anode située à droite sur la figure vers la cavité 9. Afin d'éviter l'apparition de défaillances au sein de la ligne 4, un réservoir 17 est disposé à la cathode. Les dimensions de ce réservoir 17 sont avantageusement choisies pour que le volume du réservoir 17 soit supérieur au volume nécessaire à la formation de l'assemblage métallique 11, par exemple, des volumes compris entre 0,12µm3 et 0,251Ltm3. L'utilisation du réservoir 17 permet de déplacer suffisamment de matière métallique pour la formation de l'assemblage métallique 1l, et ce, sans défaillance ou ouverture de la ligne 4. Dans ce mode de réalisation, le réservoir 17 est de même épaisseur que la ligne métallique 4. En variante, il pourrait être d'épaisseur différente comme illustré sur les figures 7 et 8. La figure 6 montre une étape plus avancée de l'électromigration, dans laquelle le réservoir 17 comporte maintenant une cavité, et les excroissances 10 et 12 forment presque l'assemblage métallique 11. La cavité formée dans le réservoir 17 ne provoque pas de défaillance électrique car elle n'interrompt pas le passage du courant à travers la ligne 4. La figure 7 est une vue en coupe d'un assemblage de deux circuits intégrés représentés dans leur ensemble et sur lesquels on reconnaît en outre les lignes métalliques 3, 4, 15 et 16, les excroissances 10 et 12 et le réservoir 17. Les lignes métalliques 15 et 16 sont respectivement reliées à des interconnexions verticales 18 et 19 débouchant au travers de la région isolante 7. Par ailleurs, le circuit intégré 1, est, dans ce mode de mise en oeuvre selon l'invention, plus petit que le circuit intégré 2. Plusieurs circuits intégrés 2 peuvent faire partie d'une plaque semi-conductrice (wafer) tandis que plusieurs circuits 1 sont des circuits séparés fabriqués indépendamment des circuits 2. On peut ainsi obtenir une structure tridimensionnelle comportant une plaque de circuits intégrés respectivement assemblés avec des circuits intégrés séparés. Les interconnexions verticales 18 et 19 ne débouchent donc pas sur le circuit intégré 1 et sont donc accessibles. Ces interconnexions verticales 18 et 19 sont donc des bornes sur lesquelles on peut relier des électrodes 20, 21 pour appliquer un courant qui traverse la ligne métallique 4 lors de l'électromigration. Un autre mode de mise en oeuvre est représenté sur la figure 8. Dans ce mode de mise en oeuvre, les lignes 15 et 16 sont reliées à des interconnexions verticales traversantes 22 et 23. Ces interconnexions verticales 22 et 23 débouchent sur la face arrière du circuit intégré 2. On notera que le circuit intégré 1 a les mêmes dimensions que le circuit intégré 2. Les interconnexions verticales traversantes 22 et 23 permettent donc de relier des électrodes 24 et 25 à la partie de circuit intégré 2 pour permettre à un courant de traverser la ligne 4. Les circuits intégrés 1 peuvent être sur une première plaque semi-conductrice, et les circuits 2 peuvent être sur une deuxième plaque semi-conductrice. On peut aussi assembler les deux plaques par l'intermédiaire des circuits intégrés respectifs. Les deux plaques pourront ensuite être découpées pour obtenir les différentes structures tridimensionnelles comportant chacune deux circuits intégrés assemblés. En outre, les deux modes de mise en oeuvre décrits dans les figures 7 et 8 peuvent être combinés, en utilisant par exemple des interconnexions verticales traversantes dans le circuit intégré 1 sur la figure 7. Un courant peut donc également traverser la ligne 3 et la formation de l'assemblage métallique 11 est donc accélérée. I1 est également possible d'utiliser des interconnexions verticales traversantes sur les deux circuits intégrés. Les électrodes 20, 21, 24 et 25 permettent en outre de mesurer la résistance des lignes métalliques 3, 15 et 16 pendant l'électromigration. Ainsi, on peut surveiller la formation de l'assemblage métallique 11 en mesurant cette augmentation de la résistance. Grâce à l'invention, on obtient un procédé d'assemblage de deux circuits intégrés, qui ne comprend qu'un collage de deux oxydes, et qui est plus efficace qu'un collage avec recuit et expansion du métal. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'une structure tridimensionnelle intégrée par assemblage d'au moins deux parties (1, 2) comportant chacune au moins une ligne métallique (3, 4) recouverte d'une région de recouvrement (6, 7) possédant une face libre (60, 70), comprenant : - une formation dans chaque partie, d'au moins une cavité (8, 9) dans la région de recouvrement (6, 7) débouchant sur la ligne métallique (3, 4) ; - une fixation mutuelle des deux régions de recouvrement (6, 7) par au moins une portion de leur face libre (60, 70) de façon à ce que lesdites cavités (8, 9) soient en regard l'une de l'autre ; - une formation d'un assemblage métallique (11) des deux lignes comportant une électromigration du métal de l'une au moins des lignes métalliques (3, 4) à travers les cavités (8, 9). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la formation dudit assemblage métallique comprend en outre un recuit effectué lors de l'électromigration. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'électromigration comprend l'application d'un courant à travers au l'une au moins des lignes métalliques (3, 4) des deux parties au moyen d'au moins deux bornes (18, 19, 22, 23) d'une des deux parties (1, 2). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on contrôle la formation de l'assemblage métallique (11) des deux lignes (3, 4) en mesurant l'augmentation de la résistance des lignes (3, 4) dans lesquelles a lieu l'électromigration. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on équipe les lignes métalliques (3, 4) dans lesquelles a lieu l'électromigration de réservoirs de matière métallique (17). 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les l'électromigration a lieu au sein d'au moins une ligne (3, 4) de chacune des deux parties (1, 2). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel ladite fixation mutuelle des deux régions de recouvrement (6, 7) comporte une étape de préparation de surface des régions de recouvrement. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel ladite fixation mutuelle des deux régions de recouvrement (6, 7) comporte un collage direct. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque partie (1, 2) est un circuit intégré. 10. Procédé selon la revendication 9, comportant des assemblages respectifs de premiers circuits intégrés sur des deuxièmes circuits intégrés réalisés au sein d'une plaque semi-conductrice. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel les faces libres des premiers circuits intégrés ont une surface plus petite que les faces libres des deuxièmes circuits intégrés, et on réalise l'électromigration en appliquant un courant sur les lignes métalliques des deuxièmes circuits intégrés par des bornes de ces deuxièmes circuits intégrés situés à l'extérieur des premiers circuits intégrés respectifs. 12. Procédé selon la revendication 10, dans lequel les premiers circuits intégrés sont réalisés au sein d'une plaque semi-conductrice, et on assemble les deux plaques en assemblant chaque circuit intégré d'une plaque avec un circuit intégré de l'autre plaque.