Brevet FR2977383A1 — publié le 20130104

B10981 - 11-GR2-0202FR1 1 PLOT DE RECEPTION D'UN FIL DE CUIVRE Domaine de l'invention La présente invention concerne la connexion électrique entre un plot d'un circuit intégré et un fil de cuivre. Exposé de l'art antérieur Un mode de liaison entre un plot d'un circuit intégré et un fil de connexion est représenté sur les figures 1A et 1B. La figure 1A représente une portion d'un circuit intégré 1 comportant un plot de connexion 2 auquel on veut souder un fil de cuivre 3 comprenant en son extrémité destinée à être fixée sur le plot une boule 4. Le plot 2 est constitué d'un empilement de trois couches, une couche de cuivre 5, une couche barrière 6 en nitrure de titane et une couche d'aluminium 7. Une couche de diélectrique de passivation 8 recouvre la périphérie du plot de soudure et définit une fenêtre 9 qui délimite la surface 10 du plot de soudure. La soudure est réalisée entre l'extrémité du fil comportant la boule de cuivre et la couche d'aluminium 7 chauffée entre 150 et 180°. La boule de cuivre est pressée contre le plot et une énergie ultrasonique est appliquée. La figure 1B représente la structure après soudure. La boule 4 est écrasée contre à la surface 10 du plot 2. La boule 4 pénètre dans la couche d'aluminium. L'aluminium repoussé par la B10981 - 11-GR2-0202FR1 2 boule forme des extrusions 21 et il se forme un espace 20 entre la périphérie de la boule de cuivre et la surface 10. Les zones 22 de contact entre la périphérie de la boule de cuivre et la surface 10 sont exposées à l'air ambiant qui circule dans l'espace 20. La figure 2A illustre les composés cuivre aluminium présents entre la couche 7 et la boule 4. On distingue depuis la couche d'aluminium 7, des composés riches en aluminium 23 tel que CuAl,, puis des composés moins riches en aluminium 24 tel que CuAl et enfin à l'interface avec la boule de cuivre 4, des composés très riches en cuivre 25 tel que Cu,A1, ou Cu,Alz. En atteignant les zones 22, l'humidité de l'air ambiant et du chlore présent dans les matériaux ou amené de l'extérieur peuvent modifier la composition chimique des composés cuivre aluminium. La figure 2B illustre les composés aluminium-oxygène résultant de cette transformation tel que Al2O, ou aluminium-chlore tel que AlCl, formant la couche 26 située entre la couche 23 et la couche 4. Le cuivre s'agrège en îlots dans cette couche 26. Des contraintes résultant du fonctionnement du circuit intégré, comme les vibrations ou encore les variations de température fragilisent les couches d'interfaces situées dans la zone 22 et on observe parfois au cours de la vie du circuit intégré une désolidarisation entre le plot et le fil de cuivre quelles que soient les optimisations des techniques de soudure. Il se pose donc un problème de fiabilité lié à la soudure de fil de cuivre sur l'aluminium, ce problème s'aggravant au cours de l'utilisation du produit. Résumé Un objet, d'un mode de réalisation de l'invention est de réaliser une soudure robuste et fiable dans le temps tout en conservant les procédés connus de soudure des fils de cuivre sur l'aluminium. B10981 - 11-GR2-0202FR1 3 Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une structure de plot particulière dont la forme permet de prévenir la pénétration de l'air ambiant vers une zone comprenant des composés cuivre aluminium. Plus particulièrement, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un plot de soudure adapté à recevoir un fil de cuivre présentant une forme de boule en son extrémité, comprenant un premier plot en cuivre revêtu d'une couche de protection et surmonté d'un deuxième plot contenant de l'aluminium dont les dimensions sont inférieures à celles du premier plot et inférieures au diamètre de la boule une fois celle-ci soudée au plot de soudure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le deuxième plot est en aluminium pur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le deuxième plot est en un alliage contenant du cuivre, de préférence 0,8% de cuivre. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un plot comprenant en outre un diélectrique recouvrant 20 la périphérie du premier plot. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche de protection est en nitrure de titane. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le deuxième plot est divisé en une pluralité d'îlots élémen- 25 taires. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'un plot de soudure comprenant les étapes de fabrication suivantes : réalisation d'un premier plot de cuivre revêtu d'une 30 couche de protection ; formation d'au moins un deuxième plot d'aluminium recouvrant partiellement le premier plot de cuivre et de taille inférieure au diamètre de la boule de cuivre qu'il est destiné à recevoir ; et B10981 - 11-GR2-0202FR1 4 formation d'une fenêtre au-dessus du plot de soudure dans une couche de passivation dégageant le deuxième plot et recouvrant la périphérie du premier plot. Un mode de réalisation de la présente invention 5 prévoit un procédé comprenant en outre les étapes suivantes : porter la surface du plot à une température comprise entre 50 et 100°C ; approcher la boule de cuivre dudit plot ; et presser et faire vibrer la boule de cuivre sur le plot de 10 soudure de façon à recouvrir entièrement le deuxième plot et une couronne du premier plot adjacente au deuxième plot. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante 15 de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1A et 1B sont des vues en coupe illustrant la soudure entre un fil de cuivre et un plot contenant de l'aluminium selon l'état de la technique; 20 les figures 2A et 2B présentent les composés chimiques susceptibles de se former à l'interface cuivre aluminium; la figure 3 est une vue en coupe d'une connexion entre un fil de cuivre soudé à un plot selon un mode de réalisation; les figures 4A et 4B sont des vues, 4A en coupe et 4B 25 en vue de dessus, selon une variante de réalisation; et les figures 5A à 5D illustrent des étapes du procédé de fabrication d'un plot de soudure selon un mode de réalisation. Description détaillée 30 Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. B10981 - 11-GR2-0202FR1 La figure 3 représente un fil de connexion relié à un plot de soudure. Le plot de soudure comprend sur un plot de cuivre 30 une couche barrière 31, par exemple en TiN, et un plot d'aluminium 32. Le plot d'aluminium a une surface réduite par 5 rapport à celle du plot de cuivre et de la couche barrière qui surmonte ce plot, de sorte que le plot d'aluminium 32 est complètement inscrit à l'intérieur de la surface correspondant à la surface du plot de cuivre. Une fois qu'un fil de cuivre 35 à l'extrémité duquel on a formé une boule 36 a été soudé par ultrasons sur la surface du plot, la boule 36 est écrasée. La dimension du plot d'aluminium est telle qu'après écrasement, la boule 36 comprend d'une part une partie 38 en contact avec la surface supérieure du plot d'aluminium 32, d'autre part une partie périphérique 39 qui vient contacter la couche barrière 31. En pratique, par suite de l'opération d'écrasement et de frottement, la couche barrière peut avoir disparu de sorte que la partie de la boule 36 à la périphérie du plot d'aluminium 32 vient en contact direct avec le plot de cuivre 30. Ainsi, la couronne périphérique de la boule 36 qui, après soudure vient en contact avec la couche barrière 31 et/ou la couche de cuivre 30, constitue une couronne protectrice qui évite ou à tout le moins limite le cheminement des infiltrations d'humidité vers la périphérie de la région 38 de contact entre la boule de cuivre et le plot d'aluminium. Cette région de contact 38 est donc protégée de toute contamination. Des tests effectués par les inventeurs ont montré que grâce à cette disposition, la fiabilité d'une liaison entre un fil de cuivre et un plot est considérablement augmentée. Notamment, les tests de durée de vie ont montré une disparition des phénomènes d'arra- chement au cours du temps. En outre, de façon classique, on a représenté en figure 3 une couche de protection 40 qui définit une fenêtre délimitant la partie utile du plot de soudure. A titre d'exemple de dimensions, les dimensions 35 latérales du plot de cuivre 30 peuvent être de l'ordre de B10981 - 11-GR2-0202FR1 6 100 x 100 pm2, la fenêtre définie dans la couche 40 ayant sensiblement les mêmes dimensions. Le plot d'aluminium 32 peut avoir des dimensions de l'ordre de 50 x 50 pm2. La boule 36 initialement formée à l'extrémité du fil de cuivre 35 peut avoir un diamètre de l'ordre de 50 }gym pour, après écrasement, avoir une étendue latérale de l'ordre de 75 x 75 pm2. Par ailleurs, le plot de cuivre 30 peut avoir une épaisseur de l'ordre de 2 à 3 }gym, la couche barrière 31 une épaisseur de l'ordre de 20 à 30 nm, et le plot d'aluminium 32 une épaisseur de l'ordre de 1 à 2,5 }gym. Bien entendu, ces valeurs sont données uniquement à titre d'exemple et les dimensions du plot, et plus particulièrement du plot d'aluminium 32 seront adaptées aux dimensions du fil 35 et de la boule 36 formée à l'extrémité de ce fil, et aux dimensions que prend cette boule après écrasement et mise en vibration pour réaliser la soudure du fil sur le plot. Les figures 4A et 4B sont une vue en coupe et une vue de dessus d'une variante de réalisation dans laquelle le plot d'aluminium 38, au lieu d'être continu est divisé en îlots élémentaires 42. On a représenté ici quatre îlots 42. En pratique, selon les dimensions du plot et les technologies utilisées, on pourra utiliser un plus grand nombre d'îlots. On considère que cette variante peut être utile dans certains cas pour améliorer encore l'adhérence entre le fil de cuivre et le plot. Les figures 5A à 5D représentent un exemple de forma- tion d'un plot du type de celui illustré en figure 3. Comme l'illustre la figure 5A, sur la partie supé- rieure d'un substrat 1, couramment sur la dernière couche de métal formée parmi les niveaux de métallisation recouvrant un circuit intégré, on a formé un plot de cuivre 30 entouré d'une région isolante 50. En pratique, on aura d'abord formé la couche isolante 50, puis on aura déposé une couche de cuivre qui aura été planarisée par polissage mécano-chimique de façon à obtenir, comme cela est représenté, le plot de cuivre complètement entouré de la couche isolante 50. Sur la surface supérieure du B10981 - 11-GR2-0202FR1 7 plot de cuivre, est formée une couche barrière en TiN. D'autres types de couche barrière pourront être utilisées, par exemple Ti, Ta, TaN. Comme l'illustre la figure 5B, on dépose alors sur la 5 structure une couche d'aluminium 51. Comme l'illustre la figure 5C, cette couche d'aluminium est ensuite gravée pour définir un plot d'aluminium 32 ayant des dimensions choisies de la façon indiquée précédemment. Enfin, à l'étape illustrée en figure 5D, on redépose 10 une couche de passivation 52 qui est ouverte de façon que l'ouverture soit légèrement moins étendue que la surface du plot de cuivre 30 de sorte qu'une zone libre existe à la périphérie du plot d'aluminium 32. Des modes de réalisation particuliers de la présente 15 invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les dimensions des divers éléments et les épaisseurs des diverses couches seront choisies en fonction des technologies utilisées. Par ailleurs, bien que l'on ait mentionné précédemment un plot 20 d'aluminium, ce plot, au lieu d'être un plot d'aluminium pur pourra être en un alliage d'aluminium et de cuivre ou de tout autre matériau choisi. En particulier, on choisira de préférence des technologies dans lesquelles les divers dépôts peuvent être effectués à des températures inférieures à 300°C, voir à 150°C. REVENDICATIONS1. Plot de soudure adapté à recevoir un fil de cuivre présentant une forme de boule en son extrémité, comprenant un premier plot en cuivre (30) revêtu d'une couche de protection (31) et surmonté d'un deuxième plot (32) contenant de l'aluminium dont les dimensions sont inférieures à celles du premier plot et inférieures au diamètre de la boule une fois celle-ci soudée au plot de soudure. 2. Plot selon la revendication 1, dans lequel le deuxième plot (32) est en aluminium pur. 3. Plot selon la revendication 1, dans lequel le deuxième plot (32) est en un alliage contenant du cuivre, de préférence 0,8 % de cuivre. 4. Plot selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre un diélectrique (40) recouvrant la 15 périphérie du premier plot. 5. Plot selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la couche de protection (31) est en nitrure de titane. 6. Plot selon l'une quelconque des revendications 1 à 20 5, dans lequel le deuxième plot (32) est divisé en une pluralité d'îlots élémentaires (42). 7. Procédé de fabrication d'un plot de soudure comprenant les étapes de fabrication suivantes : réalisation d'un premier plot de cuivre revêtu d'une 25 couche de protection ; formation d'au moins un deuxième plot d'aluminium recouvrant partiellement le premier plot de cuivre et de taille inférieure au diamètre de la boule de cuivre qu'il est destiné à recevoir ; et 30 formation d'une fenêtre au-dessus du plot de soudure dans une couche de passivation dégageant le deuxième plot et recouvrant la périphérie du premier plot.B10981 - 11-GR2-0202FR1 9 8. Procédé de soudure d'un fil sur un plot selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre les étapes suivantes : porter la surface du plot à une température comprise entre 50 5 et 100°C ; approcher la boule de cuivre dudit plot ; et presser et faire vibrer la boule de cuivre sur le plot de soudure de façon à recouvrir entièrement le deuxième plot et une couronne du premier plot adjacente au deuxième plot.