Brevet FR3050865A1 — publié le 20171103

PROCEDE DE REALISATION D'INTERCONNEXIONS CONDUCTRICES SUR UN SUBSTRAT ET INTERCONNEXIONS AINSI OBTENUES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente demande se rapporte au domaine des dispositifs microélectroniques de type dit « 3D » formés d'un assemblage de différents niveaux superposés de supports tels que des plaques (« wafers » selon la terminologie anglo-saxonne), des cartes, des substrats, des ensembles de puces, et concerne plus précisément la fabrication d'une structure pour réaliser une connexion entre différents niveaux de supports microélectroniques. Elle concerne en particulier une structure de connexion comportant des piliers conducteurs ayant une tenue mécanique améliorée sur le support sur lequel ils sont formés. Afin d'obtenir une densité d'intégration de composants plus importante, il est connu de fabriquer des dispositifs 3D en assemblant par thermocompression plusieurs supports (substrats, plaques, cartes) superposés, dotés chacun d'un ou plusieurs composants électroniques et/ou électromécaniques et/ou optoélectroniques. Le document « Electrical and Morphological Assessment of Via Middle and Backside Process Technology for 3D Integration » IEEE 2012, présente la réalisation d'un tel dispositif 3D. La connexion et l'assemblage sont réalisés à l'aide d'une structure dotée de piliers conducteurs comportant un matériau conducteur fusible sur leur partie supérieure. Ces piliers conducteurs sont typiquement formés par électrolyse sur une couche conductrice continue appelée couche « d'accroche ». Une fois les piliers conducteurs réalisés, on cherche généralement à retirer la couche conductrice d'accroche autour de ces derniers, afin d'isoler électriquement les piliers conducteurs entre eux. Cette étape de retrait de la couche d'accroche est critique. Les procédés de gravure sèche anisotrope ont tendance à entrainer un retrait trop important de 3050865 2 matériau conducteur fusible présent sur la partie supérieure des piliers conducteurs et utile à l'étape ultérieure d'assemblage par thermocompression. Certains procédés de gravure par voie humide permettent un retrait dit isotrope et sélectif sans endommager le matériau conducteur fusible mais ont tendance à 5 provoquer une sur-gravure de la couche d'accroche. Une telle sur-gravure engendre des piliers conducteurs ayant une faible tenue mécanique ainsi qu'une section électrique réduite. Dans les cas les plus critiques, cette sur-gravure peut conduire au décollement complet des piliers conducteurs de leur substrat. Tout ceci s'avère d'autant plus préjudiciable que la taille des piliers conducteurs est faible. 10 Il se pose le problème de trouver un nouveau procédé de réalisation d'une structure de connexion à piliers conducteurs amélioré vis-à-vis d'inconvénients évoqués ci-dessus. EXPOSÉ DE L'INVENTION 15 Un mode de réalisation de la présente invention concerne un procédé de réalisation d'une structure de connexion, comprenant des étapes consistant à : a) former au moins un pilier conducteur sur une couche conductrice disposée sur un support, la couche conductrice étant à base d'au moins un premier matériau conducteur, 20 b) déposer au moins un deuxième matériau conducteur sur le pilier conducteur, le deuxième matériau conducteur étant fusible, c) effectuer au moins un traitement thermique de sorte à faire fondre le deuxième matériau conducteur pour qu'une portion du deuxième matériau conducteur coule contre le pilier conducteur et réagisse avec le premier matériau conducteur de la 25 couche conductrice en formant une zone à base d'un alliage située autour et contre une base du pilier conducteur, d) graver sélectivement la couche conductrice autour du pilier conducteur par rapport à ladite zone d'alliage, la zone d'alliage formant une protection à la gravure de la couche conductrice située en regard du pilier conducteur. 3050865 3 La zone d'alliage forme à l'étape d) une protection à la gravure d'une région de la couche conductrice d'accroche située en regard du pilier conducteur. On évite ainsi un phénomène de sur-gravure ce qui permet d'obtenir de cette manière des piliers conducteurs ayant une meilleure tenue mécanique sur le support 5 et une section électrique plus importante. Le deuxième matériau conducteur est ainsi choisi de sorte à pouvoir réagir au moins avec le premier matériau afin de former un alliage, typiquement un matériau intermétallique, apte à résister à une gravure de la couche d'accroche. A l'étape b), on dépose une quantité de deuxième matériau conducteur 10 au sommet du pilier conducteur prévue de sorte qu'à l'étape c), ladite portion du deuxième matériau conducteur coulant contre ledit pilier conducteur forme une gaine de protection autour du pilier conducteur, tout en conservant une autre portion au sommet du pilier qui servira pour l'assemblage. Cette gaine de protection peut être soit une coulure du dernier matériau conducteur sur les flancs du pilier conducteur soit un alliage résultant de la 15 réaction entre la coulure de ce matériau fusible et les flancs du pilier conducteur. Une telle gaine de protection sert à protéger le pilier conducteur lors de l'étape d) de retrait de la couche d'accroche conductrice. Selon une possibilité de mise en oeuvre, le pilier conducteur peut être formé à l'étape a) de plusieurs matériaux conducteurs superposés. 20 Dans ce cas, au moins un desdits matériaux conducteurs superposés du pilier peut être apte à former un alliage avec ledit au moins deuxième matériau conducteur à l'étape c). Le pilier conducteur est avantageusement formé à l'étape a) par croissance électrolytique en regard d'un plot conducteur agencé sur le support. 25 Le deuxième matériau conducteur peut être également déposé à l'étape b) par croissance électrolytique sur le pilier conducteur. Avantageusement, le pilier conducteur est formé dans une ouverture d'un masque, par dépôt d'au moins un matériau conducteur donné. 3050865 4 Avantageusement le masque est en matériau polymère ou en résine et le procédé comprend en outre, préalablement à l'étape a) un traitement plasma du masque, de sorte à augmenter la mouillabilité du masque. Un tel traitement permet d'améliorer la mouillabilité de la résine ou du 5 polymère ; ce qui favorisera un dépôt électrolytique efficient des matériaux conducteurs formant le pilier conducteur lors de son dépôt dans les ouvertures du masque. Un procédé tel que défini plus haut permet de fabriquer une structure de connexion. Après l'étape d), le procédé peut comprendre une étape d'assemblage 10 dudit support avec un autre support, par thermocompression en appliquant lesdits piliers conducteurs sur ledit autre support. Selon un autre aspect, un mode de réalisation de la présente invention concerne une structure de connexion comportant : au moins un pilier conducteur ayant une base disposée sur une couche conductrice, la couche conductrice étant à base d'au 15 moins un premier matériau conducteur et reposant sur un support, ledit pilier conducteur comportant sur son sommet au moins un deuxième matériau conducteur ayant une température de fusion plus basse que la plus basse température de fusion du pilier conducteur, la base du pilier conducteur étant entourée d'au moins une zone de matériau intermétallique formée à partir du premier matériau conducteur de la couche conductrice 20 et du deuxième matériau conducteur. Le pilier conducteur peut comprendre plusieurs matériaux conducteurs superposés. Avantageusement, le pilier conducteur comporte une face latérale qui s'étend entre sa base et son sommet, la face latérale étant entourée d'une gaine formée à 25 partir d'au moins le deuxième matériau conducteur. La gaine peut être formée par un matériau intermétallique résultant de la formation d'un alliage entre au moins le deuxième matériau conducteur et au moins un desdits matériaux conducteurs donnés. 3050865 5 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : 5 - les figures 1A-1F illustrent, par le biais de vues en coupes transversales un exemple de procédé de réalisation d'une structure dotée de piliers conducteurs contre lesquels on forme au cours du procédé une zone de protection permettant d'éviter une sur-gravure de la base du pilier conducteur ainsi formé ; - la figure 2 illustre un assemblage par thermocompression d'un support 10 avec un autre support ; Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas 15 nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. En outre, dans la description ci-après, des termes qui dépendent de l'orientation, telle que « avant », « arrière », « supérieure », « inférieure » etc. d'une structure s'appliquent en considérant que la structure est orientée de la façon illustrée sur les figures. 2 0 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Un exemple de procédé de fabrication d'une structure d'interconnexion munie d'un ou plusieurs piliers conducteurs va à présent être donné en liaison avec les figures 1A à 1F. Le matériau de départ du procédé est un support 1, qui peut être par 25 exemple sous forme d'un circuit intégré, d'une puce, d'un substrat d'interconnexion, d'une plaque (wafer), et peut être doté d'un ou plusieurs composant(s) électronique(s) et/ou électromécanique(s) et/ou optoélectronique(s). 3050865 6 On forme tout d'abord une couche électriquement conductrice continue que l'on qualifiera de couche d'accroche 10 sur une face du support 1 sur laquelle affleurent des plots conducteurs 4. La couche d'accroche 10 est réalisée par exemple par PVD (pour « Physical Vapor Deposition ») et peut être formée d'un ou plusieurs matériaux 5 conducteurs empilés. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1A, la couche d'accroche 10 comprend une première sous-couche 8, par exemple un matériau métallique à base de titane et d'une deuxième sous-couche 9, qui peut être par exemple à base de cuivre. La première sous-couche 8 peut avoir une fonction de barrière de diffusion. 10 On réalise ensuite un masquage 20, par exemple en résine photosensible sur la couche d'accroche 10. Ce masquage 20 comporte une ou plusieurs ouvertures 21 et est formé typiquement par photolithographie. Les ouvertures sont disposées en regard des plots conducteurs 4 et dévoilent la couche d'accroche 10. Ensuite (figure 1B), une étape de traitement de surface du masquage 20 15 peut être réalisée à l'aide d'un plasma spécifique de type communément appelé descum. Un tel traitement vise à améliorer la mouillabilité de la résine en vue d'une étape ultérieure de remplissage des ouvertures 21. Un tel traitement plasma d'Oz peut être généré à l'aide d'une excitation par micro-ondes. Le traitement plasma est de préférence réalisé à basse température, par exemple entre 150°C et 200°C afin d'éviter de 20 dégrader la résine ou l'empreinte des ouvertures 21 du masque 20. On réalise ensuite des piliers conducteurs 30 dans les ouvertures 21 du masquage 20 par dépôt d'un ou plusieurs matériaux conducteurs 31. Les piliers conducteurs 30 sont typiquement formés par dépôt électrolytique par exemple à base de cuivre. 25 On forme également sur les piliers conducteurs 30 un matériau conducteur 41 fusible ayant une température de fusion faible et inférieure à celles des matériaux conducteurs précédemment déposés et formant des piliers conducteurs 30. Le matériau conducteur 41 fusible est prévu notamment pour permettre de faciliter une étape ultérieure d'assemblage par thermocompression des piliers conducteurs 30 sur un autre 3050865 7 support. Ce matériau conducteur 41 fusible peut être à base d'un alliage tels que par exemple du SnAg, SnAgCu, ou SnPb. Le matériau conducteur 41 fusible est choisi de sorte à pouvoir réagir avec le ou les matériaux de la couche d'accroche 10, de sorte à pouvoir former un alliage, 5 en particulier un intermétallique, avec le ou les matériaux de la couche d'accroche 10 cet alliage ou intermétallique étant sélectif à la gravure de(s) matériau(x) de la couche d'accroche 10, et en particulier par rapport au matériau de la sous-couche 9. La quantité de matériau conducteur 41 fusible déposée est prévue de sorte que lors d'un recuit ou traitement thermique ultérieur, une portion de ce matériau 10 41 puisse couler le long des flancs latéraux ou d'une surface latérale des piliers tandis qu'une autre portion soit conservée au sommet des piliers 30 conducteurs en vue d'un assemblage ultérieur. Dans un cas où l'on considère des piliers conducteurs 30 de dimension critique encore appelée diamètre D, on dépose avantageusement une quantité Ofus,bie de 15 matériau fusible 41 telle que Ofus,bie z 2/3 D. La dimension critique ou diamètre D des piliers conducteurs 30 est mesurée parallèlement au plan [0 ; x ; y] du repère orthogonal [0 ; x ; y; z] et correspond à la plus petite dimension de ces piliers 30 hormis leur hauteur. On effectue ensuite un retrait du masquage 20, par exemple à l'aide d'un procédé de décapage (communément appelé « stripping » selon la terminologie anglo- 20 saxonne). Puis, on réalise une ou plusieurs étapes de traitement thermique à une température adaptée pour permettre de faire fondre le matériau conducteur fusible 41 afin de faciliter sa mise en forme. Le traitement thermique peut être réalisé à basse température, par exemple comprise entre 250°C et 275°C et sous une atmosphère inerte 25 lorsque le matériau fusible 41 est du SnAg. La quantité du dernier matériau fusible et la durée du traitement thermique sont prévues de sorte que le matériau 41 puisse couler le long des flancs latéraux ou d'une surface latérale des piliers conducteurs 30 et atteindre la couche d'accroche 10 située au pied des piliers conducteurs 30 ; tout en conservant 3050865 8 avantageusement une forme en dôme au sommet du pilier conducteur qui facilite l'assemblage. Sur la figure 1D, les piliers conducteurs 30 sont représentés à l'issue de l'étape de traitement thermique permettant de faire fondre le matériau conducteur 41 5 fusible. Les piliers conducteurs 30 sont alors entourés d'une gaine 43 en matériau conducteur 41 qui s'étend le long des flancs latéraux ou de la surface latérale des piliers conducteurs 30. Une portion 44 de matériau conducteur 41 fusible forme une protubérance, par exemple de forme arrondie et recouvre également le sommet des piliers 10 conducteurs 30. Contre les pieds des piliers conducteurs 30, des zones 45 composées d'au moins un matériau intermétallique sont formées et réalisent un pourtour ou un contour autour d'une région 10a de la couche d'accroche située sous les piliers conducteurs 30. Ces zones 45 résultent d'une réaction entre le matériau conducteur fusible 41 et le ou les matériau(x) de la couche d'accroche 10 ou d'une sous-couche de la couche d'accroche 10. 15 Par exemple, dans le cas où le matériau conducteur fusible 41 est du SnAg et le matériau de la sous-couche d'accroche 9 est du Cuivre, des zones 45 d'intermétalliques de type CuxSn5 et Cu3Sn4 peuvent être formées. Ces zones 45 sont aptes à réaliser une protection de régions 10a de la couche d'accroche 10 situées sous les piliers conducteurs 30 lors d'une étape ultérieure de 20 gravure partielle de cette couche d'accroche 10. Sur la figure 1E, les piliers conducteurs 30 sont également recouverts sur le dessus et sur leurs flancs ou face latérale respectivement de zones 46, 47 d'alliage ou de matériau intermétallique, formant une gaine de protection. Ces autres zones 46, 47 résultent d'une réaction possible entre d'une part le ou les matériaux constitutifs des piliers 25 et d'autre part le matériau fusible 41 déposé sur les piliers conducteurs et que l'on a fait fondre et couler le long des piliers 30 lors du traitement thermique. Par exemple, dans le cas où le matériau conducteur fusible 41 est du SnAg et le matériau des piliers conducteurs est du cuivre, des zones 46, 47 Cu6Sn5 et Cu3Sn4 peuvent être formées. Lorsque les piliers conducteurs 30 et la couche d'accroche 9 sont à base d'un même matériau, par exemple du cuivre, les zones 45, 46, 47 sont formées des mêmes intermétalliques. On peut en 3050865 9 variante prévoir plusieurs traitements thermiques successifs pour former les zones de protection 45, 46, 47. On effectue ensuite une gravure, en particulier humide et isotrope de la couche d'accroche 10 dans une zone située autour des piliers conducteurs 30. La gravure 5 réalisée est sélective vis-à-vis des zones 45 de protection formées en contact et autour des pieds des piliers conducteurs 30. Les zones 45 permettent de protéger les régions de la couche d'accroche situées sous les piliers conducteurs 30 d'une sur-gravure. Dans le cas où d'autres zones de protection 46, 47 sont formées contre les flancs latéraux et le sommet des piliers conducteurs 30, ceux-ci sont également protégés et l'on évite une sur-gravure 10 des piliers conducteurs 30. Une gravure par exemple à l'aide d'un mélange dilué de H3PO4 et H202, peut être effectuée lorsque la couche d'accroche 9 est à base de Cuivre et que les zones de protection sont à base d'intermétalliques Cu6Sn5 et Cu3Sn4. Si par exemple la sous-couche 8 est du titane, une solution diluée de HF permet de la graver. 15 Après élimination de la couche d'accroche 10 autour des piliers conducteurs 30, ces piliers conducteurs sont isolés électriquement entre eux, et peuvent alors former des interconnexions conductrices (figure 1F). Les piliers conducteurs 30 reposent sur une région 10a de la couche d'accroche de surface plus importante qu'à l'issue des procédés suivant l'art antérieur. 20 Ainsi, par rapport à de tels procédés, on améliore à la fois le contact électrique des piliers conducteurs 30 avec les plots 4 ainsi que la tenue mécanique de l'ensemble. Ensuite, on peut réaliser un assemblage du support 1 avec un autre support 50, par exemple sous forme de puce ou de substrat ou de plaque. L'assemblage 25 peut être effectué par thermocompression en appliquant le matériau fusible 41 présent sur le sommet des piliers conducteurs 30 contre cet autre support 50 (figure 2). REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'une structure de connexion, comprenant des étapes consistant à : a) former au moins un pilier conducteur (30) sur une couche conductrice (10) disposée sur un support (1), la couche conductrice étant à base d'au moins un premier matériau conducteur, b) déposer au moins un deuxième matériau conducteur (41) sur le pilier conducteur (30), le deuxième matériau conducteur étant fusible, c) effectuer au moins un traitement thermique de sorte à faire fondre le deuxième matériau conducteur pour qu'une portion du deuxième matériau conducteur coule contre le pilier conducteur (30) et réagisse avec le premier matériau conducteur de la couche conductrice en formant une zone (45) à base d'un alliage située autour et contre une base du pilier conducteur, d) graver sélectivement la couche conductrice autour du pilier conducteur par rapport à ladite zone (45) d'alliage, la zone (45) d'alliage formant une protection à la gravure de la couche conductrice située en regard du pilier conducteur. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le deuxième matériau conducteur (41) est déposé au sommet du pilier conducteur (30) selon une quantité prévue de sorte qu'à l'étape c) ladite portion du deuxième matériau conducteur coulant contre ledit pilier conducteur (30) forme une gaine de protection (46) à base du deuxième matériau conducteur autour du pilier conducteur. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel le pilier conducteur (30) est formé à l'étape a) de plusieurs matériaux conducteurs superposés. 4. Procédé selon la revendication 3, au moins un desdits matériaux conducteurs superposés du pilier étant apte à former un alliage avec ledit au moins deuxième matériau conducteur à l'étape c). 3050865 11 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le pilier conducteur (30) est formé à l'étape a) par croissance électrolytique en regard d'un plot conducteur (4) agencé sur le support (1) et recouvert par la couche conductrice. 5 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le deuxième matériau conducteur (41) est formé à l'étape b) par croissance électrolytique sur le pilier conducteur (30). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le pilier 10 conducteur (30) est formé dans une ouverture (21) d'un masque (20), par dépôt d'au moins un matériau conducteur donné. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le masque étant en matériau polymère, le procédé comprend en outre, préalablement à l'étape a) un 15 traitement plasma du masque, de sorte à augmenter la mouillabilité du masque (20). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant une étape d'assemblage dudit support (1) avec un autre support, par thermocompression, lesdits piliers conducteurs (30) étant en contact avec ledit autre support (1). 20 10. Structure de connexion comportant : au moins un pilier conducteur (30) ayant une base disposée sur une couche conductrice (10), la couche conductrice étant à base d'au moins un premier matériau conducteur et reposant sur un support, ledit pilier conducteur comportant sur son sommet au moins un deuxième matériau conducteur (41) 25 ayant une température de fusion plus basse que la plus basse température de fusion du pilier conducteur, la base du pilier conducteur étant entourée d'au moins une zone de matériau intermétallique formée à partir du premier matériau conducteur de la couche conductrice et du deuxième matériau conducteur. 3050865 12 11. Structure de connexion selon la revendication 10, dans lequel le pilier conducteur comprend plusieurs matériaux conducteurs superposés. 12. Structure de connexion selon l'une des revendications 10 ou 11, 5 dans lequel le pilier conducteur comporte une face latérale qui s'étend entre sa base et son sommet, la face latérale étant entourée d'une gaine (43) formée à partir d'au moins le deuxième matériau conducteur. 13. Structure de connexion selon la revendication 12, dans lequel la 10 gaine (46) est tout ou partie formée par un matériau intermétallique résultant de la formation d'un alliage entre ledit moins le deuxième matériau conducteur et au moins un desdits matériaux conducteurs donnés.