FR2634322A1 - Module semi-conducteur actif hybride obtenu par reconfiguration physique de pastilles, interconnectees par films minces, et procede de fabrication correspondant - Google Patents

Abstract

Le domaine de l'invention est celui des modules micro-électroniques de type hybride constitués d'une pluralité de pastilles semi-conductrices interconnectées. L'objectif est d'offrir un assemblage simple des pastilles par encastrement dans le substrat, d'apparence monolithique, sans câblage filaire, interne ou externe, propre à la tenue aux vibrations mécaniques. Cet objectif est atteint du fait qu'on choisit, pour le matériau constitutif du substrat monocristallin 10, un matériau de même structure cristallographique que le matériau constitutif des pastilles 12, et qu'au moins un plan de joint de chaque pastille avec l'alvéole correspondante 11 dudit substrat 10 est réalisé selon un plan cristallin de ladite structure cristallographique commune à la pastille 12 et au substrat 10.

Description

#.1ODULE SENIl-CONDUCTEUR ACTIF Hé BRIDE OBTENU PAR
RECONFIGURATION PHYSIQUE DE PASTILLES.

INTERCONNECTEES PAR FILMS MINCES, ET PROCEDE DE
F.5BRIC.AT10.N CORRESPOSD.1#T.

Le domaine de l'invention est celui des modules microélectroniques de tbpe hybride constitués d'une pluralité de pastilles semi-conductrices interconnectées.

L'évolution technique de la micro-électronique a toujours été dominée par la volonté de réaliser la densification des fonctions électriques avec une réduction de volume la plus importante autorisée par l'état de l'art industriel.

Deux évolutions technologiques majeures ont été menées parallèlement pour satisfaire cette volonté de miniaturisation des fonctions électroniques
. la technique de l'intégration monolithique sur une seule pastille de semi-conducteur mise dans un boitier étanche.

. la technique de l'intégration hybride de plusieurs pastilles de semi-conducteur au sein d'un seul boitier étanche.

Du point de vue de la miniaturisation, la technique de l'intégration monolithique est actuellement supérieure a la technique de l'intégration hybride, en ce qui concerne la réduction de la superficie totale occupée par les composants électroniques et leur réseau d'interconnexion au sein d'un module électronique.

Ainsi, dans le domaine de l'intégration monolithique, on connaît la technologie d'intégration directe des interconnexions sur plaquettes ("\N'SI": "Wafer Scale Integration"). Cette technologie vise å réaliser le réseau d'interconnexion entre pastilles par couches minces, simultanément a la réalisation des derniers niveaux de métallisation des pastilles de circuit intégré sur la même plaquette de semi-conducteur Cette solution, qui nta pas encore été industrialisée, se heurte toutefois au problème de l'inéluctable taux de défectuosité des pastilles, qui impose d'une part la reconfiguration des interconnexions entre pastilles valides, et d'autre part une redondance de pastilles, (grévant la densification) destinées â compenser, avec une certaine probabilité de réussite, les pastilles défectueuses électriquement.

L'idée est alors venue de substituer a la plaquette de silicium composée de pastilles identiques mais de rendement global médiocre, une structure "hybride" permettant une densification maximale grâce à une sélection des pastilles valides et une reconfiguration excluant physiquement les pastilles non conformes à la fonction électronique que chacune doit satisfaire.

En comparaison de la technique "monolithique", la technique de l'intégration hybride est plus efficace du point de vue de la densité des interconnexions, ou du taux d'occupation de la surface totale par les pastilles semi-conductrices a l' exclusion des interconnexions. La présente invention se rapporte a une technique d'intégration hybride.

Toutefois, l'intégration hybride souffre actuellement de deux problèmes complexes.

Tout d'abord l'ampleur du cablâge filaire reliant les pastilles au substrat d'interconnexion qui les porte, n'autorise dans le meilleur des cas qu'un taux d'occupation limité à 40 % de la surface totale de semi-conducteur actif sur la surface totale du substrat d' interconnexion.

D'autre part. les technologies de mise en forme utilisées pour l'intégration des pastilles dans le substrat porteur, imposent des tolérances de fabrication insatisfaisantes, nécessitant notamment de recourir à des agents complémentaires de liaison et de positionnement.

On connaît des structures d'intégration hybrides, excluant le recours au cablâge filaire.

Ainsi, on a notamment proposé une technologie à pastilles équipées de colonnettes ("flip-chip"). Cette technologie consiste à connecter les pastilles å un substrat d'interconnexion au moyen de bossages de connexion menagés en regard les uns des autres sur les pastilles et le substrat. Toutefois, cette technique impose la fabrication de pastilles spécifiques à bossages, et limite en tout état de cause la miniaturisation du fait des contraintes dimensionnelles des bossages requises pour la solidité mécanique des liaisons.

La tentative la plus intéressante et la plus proche de l'invention semble être celle décrite dans la publication de brevet français n0 2599893. Ce procédé consiste à réaliser des perçages débouchants dans une plaque rigide métallique, destinés à recevoir les pastilles semi-conductrices, lesquelles sont rendues solidaires de la plaque grâce à un remplissage de résine dans l'espace libre autour des pastilles. Il est suggéré ensuite de réaliser des couches minces d'interconnexion des pastilles avec un film isolant de polyamide.

Cette technique présente toutefois l'inconvénient de fragiliser la plaque réceptrice, de limiter les possibilités de densification par la contrainte de prévoir des espacements suffisants de rigidification entre perçages débouchants, et de produire des gradients de thermo-élasticité au niveau des jonctions entre matériaux hétérogènes.

De façon plus fondamentale, cette technique se heurte à l'extrême difficulté d'obtenir un positionnement simple des pastilles dans le substrat tant latéralement qu'en affleurement des faces supérieures. et suffisamment précis pour être compatible avec le dépôt du film polyimide.

D'une manière générale, l'enterrement de pastilles sélectionnées dans un substrat s'es: heurté jusqu'à présent aux problèmes irrésolus de l'hétérogénéité dimensionnelle des pastilles disponibles, de l'imprécision des technologies de mise en forme du substrat récepteur et des pastilles (sciage,...), de la tolérance insuffisante de positionnement des pastilles dans le substrat, et des difficultés de planarisation de l'ensemble notamment en vue du dépôt de couches minces d'interconnexion.

La présente invention a pour objectif de pallier ces divers inconvénients des techniques existantes.

Ainsi, un objectif essentiel de l'invention est d'offrir un compromis idéal entre une très haute densité d'intégration des pastilles, une solidité satisfaisante de l'assemblage final, une bonne dissipation thermique et une solution acceptable au problème de thermo-élasticité.

Plus précisément, un premier objectif de l'invention est d'obtenir un taux d'occupation de la surface de la structure par la partie active des pastilles voisin de 100 %.

Un objectif complémentaire de l'invention est de fournir une technique respectant la banalisation des approvisionnements sur le marché mondial des plaquettes non découpées de composants semi-conducteurs. L' invention ne remet ainsi aucunement en cause, chez les fondeurs de semi-conducteurs, les règles de dessins et les procédés de fabrication des produits.

Un autre objectif essentiel de l'invention est d'offrir un assemblage simple des pastilles dans le substrat d'apparence monolithique, sans cablâge filaire, interne ou externe, propre à la tenue aux vibrations mécaniques.

L'invention a également notamment pour objectif de réduire au maximum la longueur d'interconnexion entre pastilles et vers l'extérieur, d'évacuer les calories par conduction au sein de la structure des modules dans une direction opposée à celle réservée aux interconnexions, ou encore de conférer un blindage naturel électromagnétique, et contre le rayonnement alpha, des éléments actifs enterrés.

Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints à l'aide d'un procédé de fabrication de modules sem.-conåucteurs actifs de txpe hybride, lesdits modules étant constitués d'au moins une pastille semi-conductrice mono-cristalline de circuit intégré insérée chacune dans une alvéole ménagée dans un substrat porteur,
procédé caractérisé en ce qu'on choisit, pour le matériau constitutif du substrat monocristailln, un matériau de même structure cristallographique que le matériau constitutif des pastilles,
et en ce qu'au moins un plan de joint de chaque pastille avec l'alvéole correspondante dudit substrat est réalisé selon un plan cristallin de ladite structure cristallographique commune à la pastille et au substrat.

De façon avantageuse, la mise en forme des plans de joint de la pastille et/ou de 11 alvéole de réception correspondante, est réalisée par attaque chimique anisotrope.

On conçoit que la spécificité des structures cristallines et de leur réponse à l'usinage chimique, permet une mise en forme très précise des plans de joint. L'attaque chimique anisotrope proposée permet d'arrêter la dissolution des masses cristallines dans des plans cristallins choisis. L'ajustement précis de la pastille dans son alvéole est alors fort simplement obtenu en choisissant des plans cristallins identiques et compatibles pour la mise en forme de la pastille et du substrat.

De façon avantageuse, au moins un plan de joint de la pastille avec l'alvéole correspondante est réalisé selon un plan cristallin oblique par rapport au plan supérieur du substrat. De façon préférentielle, tous les plans de joint latéraux entre la pastille et l'alvéole correspondante sont des plans cristallins obliques par rapport au plan supérieur du substrat, de façon à définir une alvéole de sections verticales trapézoldales symétriques ou assymétriques.

Cette caractéristique de l'invention permet d'améliorer encore le positionnement de la pastille dans l'alvéole en s'affranchissant d'un degré de liberté (celui correspondant au positionnement vertical de la pastille dans son alvéole par rapport à la face supérieure du substrat.)
Bien entendu, la pastille doit avantageusement subir au préalable une opération éventuelle de rectification ou d'ajustement de son épaisseur, par exemple, par rodage.

De façon avantageuse, l'attaque chimique anisotrope d'alvéolage du substrat et/ou de mise en forme de la pastille est dirigée au moyen d'un masque en résine à chaines polymères réticulées, notamment en résine négative, réalisé par photolithographie.

L'utilisation de la photolithographie est particulièrement adaptée du fait de la haute précision qu'elle permet dans la définition des ouvertures d'attaque chimique. La précision des ouvertures d'attaque est essentielle notamment pour la définir tion des plans cristallins d'arrêt de l'attaque, tant latéraux que pour le fond de l'alvéole.

De façon préférentielle, le fait que les alvéoles soient de section trapézoîdale permet de réaliser des alvéoles non débouchantes sans que le plan de fond d'alvéole soit critique pour la positionnement de la pastille. Avantageusement, un orifice traversant est ménagé dans le fond d'alvéole notamment pour la mise en dépression de l'alvéole lors de la réceptIon de la pastille, l'extrusion d'un excès de colle ou le dégazage de la colle.

Dans un mode de réalisation préférentiel, la mise en forme des faces utiles de la pastille (plans de joint, est réalisée au cours d'un processus de séparation et d'individualisation de la pastille à partir d'une plaquette semi-conåuctrice de plusieurs pastilles.

Les qualités de précision du procédé de mise en forme et d'assemblage suivant l'invention permettent enfin d'obtenir une planéité tout à fait satisfaisante de la face supérieure du substrat contenant les pastilles, ce qui permet effectivement de déposer une réseau de couches minces d'interconnexion des pastilles.

De façon avantageuse, on pourra accélérer le processus d'alvéolage du substrat et/ou de mise en forme de la pastille, en réalisant une prégravure, préférentiellement de type ionique ou mi croondes. Un processus avantagez3 de prégravure est le processus "LIRE" (Magnetic Reactive Ionic Erosion : érosion ionique réactive, magnétique). Ce tbpe de prégravure présente l'avantage d'être plus rapide que l'attaque chimique, ce qui permet de raccourcir les temps de fabrication, et de réduire les précautions visant à contrôler la désorientation de l'attaque. Toutefois, bien entendu, la finition par attaque chimique est impérative, du fait du mauvais coefficient d'anisotropie des moyens rapides de prégravure.

D'autres caractéristiques et avantages de 1' invention apparaîtront à la lecture suivante de la description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention donné à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexes dans lesquels
Les figures la, lb, le schématisent l'opération d'assemblage de pastilles dans un substrat alvéolé avec recouvrement final par couches minces multiples d'interconnexion, suivant l'invention
La figure 2 illustre une géométrie de mise en forme d'une plaquette monocristalline de silicium (orientee selon l'axe (1,0,0)), par attaque chimique anisotrope.

Les figures 3a à 3h illustrent différentes phases successives d'un mode préférentile de mise en oeuvre du procédé d'alvéolage d'un substrat en silicium, selon l'invention, notamment avec photolithographie, prégravure "MARIE", puis gravure chimique anisotrope
. La figure 4 est une vue en section verticale d'une portion d'alvéole illustrant les zones d'attaque du substrat monocristallin successivement par une prégravure "MRIE" puis une gravure anisotrope
La figure 5 (Sa à 5k) illustre les étapes successives d'un mode préférentiel de mise en oeuvre du procédé de mise en forme de pastilles semi-conductrices de circuits intégrés, par séparation d'une plaquette de silicium
La figure 6 (6a et 6b) illustre un mode avantageux de compensation des variations d'épaisseur des plaquettes de circuits intégrés, après rodage, à l'aide d'une prégravure directive avant attaque chimique anisotrope suivant l'invention
La figure 7 est un organigramme illustrant une gamme complète préférentielle de fabrication d'un module semi-conducteur suivant l'invention
La figure 8 est un organigramme présentant un mode de réalisation préférentiel d'un dépôt de couches minces d'interconnexion sur un module semi-conducteur suivant l'invention.

La figure 7 permet de lister les étapes principales d'un mode de mise en oeuvre préférentiel du procédé de fabrication de modules de semi-conducteurs hybrides selon l'invention.

L'organigramme de la figure 7 peut être commenté en regard des schémas illustratifs des figures la, lb et lc.

Le module semi-conducteur selon l'invention est essentiellement constitué d'une part d'un substrat 10 dans lequel ont été ménagées des alvéoles 11, et d'autre part de pastilles semiconductrices de circuits intégrés 12 destinées à être encastrées dans les alvéoles (11) du substrat (10).

Dans ce but, le substrat (10) et les pastilles (11) subissent chacun un traitement préalable, comme mentionné en figure 7.

Le substrat semi-conducteur approvisionné (70) subit une opération d'alvéolage (71), puis, avantageusement, d'encollage (72) des alvéoles.

De son côté, les pastilles semi-conductrices (12) sont avantageusement approvisionnées sous forme de plaquettes de circuits intégrés testés à 100 t sous pointes (73). Les plaquettes retenues sont ensuite rodées (7tri, puis soumises à une opération de séparation et d'individualisation (75) des pastilles semi-conductrices.

L'assemblage du module semi-conducteur suivant l'invention, consiste dans les étapes suivantes
insertion des seules bonnes pastilles 12 dans les alvéoles 11 du substrat 10 (76) ;
test in situ des pastilles 12 sous pointes et remplacements éventuels (77)
. collage des pastilles 12 encastrées (78)
. développement de couches minces multiples 13 "polvimides" d'interconnexion sur silicium actif (79J;
test final (80)
encapsulation et nouveau test (81) puis livraison du module assemblé (également appelé ici "silipack")::
Les étapes essentielles de ce mode préférentiel de mise en oeuvre du procédé de l'invention vont être détaillées ci-après plus précisément en ce qui concerne, dans un premier temps, le choix du matériau du substrat, puis l'opération d'alvéolage du substrat, dans un second temps, l'opération d'individualisation des pastilles de circuits intégrés à partir de plaquettes, et dans un troisième temps, les opérations d'assemblage des modules avec dépôt des couches minces d'interconnexion.

Le principe fondamental, à la base de l'invention, est de réaliser un encastrement très ajusté des pastilles semiconductrices dans des alvéoles du substrat porteur, en formant les plans de joint dans les plans cristallins du substrat et des pastilles.

Ceci implique bien évidemment que la structure cristallographique des pastilles et celle du substrat soient identiques, de façon que la découpe des alvéoles d'une part, et la découpe des faces de jonction des pastilles d'autre part, soient parfaitement complémentaires.

Dans le mode de réalisation présenté ci-après, il est proposé d'utiliser des plaques circulaires de silicium pour le substrat. D'une manière générale, le choix du matériau monocristallin des plaques circulaires est guidé par la nature même du matériau semi-conducteur des circuits intégrés devant être encastrés dans les substrats alvéolés issus des plaques circulaires.

L'invention n'est donc pas limitée au choix du silicium et s'étend donc naturellement aux autres semi-conducteurs connus : le germanium, l'arseniure de gallium, le phophure d'indium, etc.

On notera qu'il n'est d'ailleurs pas nécessaire que le matériau du substrat soit lui-même semi-conducteur ; il suffit simplement que sa structure cristallographique soit identique à celle du matériau constituant les pastilles de circuits intégrés, soit une structure cubique à faces centrées dans le cas de pastilles en silicium.

Toutefois, dans le cas d'une application de type "militaire", c'est-â-dire fortement dissipatrice de chaleur, le choix d'un matériau semi-conducteur identique à celui des pastilles s impose pour réaliser le substrat porteur. Une conductibilité thermique excellente (148 watts par mètre et par degré Kelvin dans le cas du silicium) garantit un faible écart de température entre pastilles et substrat, ainsi qu'un cambrage nul de l'assemblage "pastilles sur substrat porteur".

Du fait du procédé utilisé, il est impératif, pour la suite des opérations, de s'assurer que la qualité cristallographique des monocristaux utilisés est satisfaisante et notamment d'en contrôler l'orientation cristalline. Un tel contrôle peut, par exemple, être réalisé au moyen de la méthode de Laüe par diffraction de rayons X. Du point de vue de l'orientation cristalline des plaquettes utilisables pour le substrat, on ne trouve généralement sur le marché que des plaquettes ayant les orientations (1,1,1) et (1,0,0).

De plus, du fait de la généralisation de la technologie
MOS pour les circuits intégrés, on ne trouve en majorité que l'orientation (1,0,0) à laquelle il sera fait implicitement référence dans la suite.

Les notations relatives aux orientations cristallines sont les notations standardisées dont référence pourra être trouvée dans l'ouvrage "Electronique du silicium homogène", par A. Vapaille,
Edition NL4SSON.

Les alvéoles ménagées dans le substrat sont réalisées de façon que leurs parois et, essentiellement leurs parois latérales, soient constituées dans les plans cristallins du matériau constitutif du substrat.

Selon l'invention, il est préférable que les alvéoles constituent des trous borgnes, dont la profondeur soit égale approximativement à la moitié de l'épaisseur du substrat en silicium afin, notamment, de garantir à celui-ci une solidité mécanique satisfaisante lors des manipulations nécessaires à l'élaboration des couches minces multiples sur l'assemblage semi-conducteur actif.

A titre illustratif et non limitatif, on choisira avantageusement une plaque d'épaisseur initiale minimale de 1 050 microns, soit environ deux fois l'épaisseur moyenne des plaquettes de silicium sciées pour l'industrie des semi-conducteurs. Les alvéoles auront avantageusement une profondeur de 250 microns, avec une tolérance de dimension latérale de l'ordre de 10 microns en valeur absolue.

Ces tolérances sont parfaitement compatibles avec le principe de découpe suivant les plans cristallins.

D'autre part, ces objectifs de tolérance exigent le recours préférentiel aux techniques de la photolithographique du substrat.

Les étapes schématisées en figure 3a å - 3h, correspondent à un processus préférentiel de mise en forme d'un substrat alvéolé suivant 1' invention au moyen de la photolithographie.

Les étapes sont avantageusement les suivantes
a. pulvérisation cathodique de titane 31 en face supérieure du substrat 10.

b. Dépôt de précurseur de photopolymère 32 (exemple polyimide photosensible "HTR3" de la société MERCK)
c. Insolation aux U.V. et cuisson 1 heure à 40000.

d. Développement chimique (exemple à l'aide du "SELECTIPLAST HTR D# de la société MERCK)
e. Gravure plasma de la couche de titane 31, par exemple au CF4
f. Nouveau dépôt 33 de précurseur, insolation U.V., cuisson et développement chimique.

g. Gravure ".Nt.R.i.E." directive du silicium 10 (au C C12 F2 par exemple).

h. Gravure plasma O2 du photopolymère puis gravure chimique anisotrope du silicium 10 par le KOH.

Comme on le remarque à l'étape 3h, l'alvéole 11 finale présente des flancs latéraux 35 obliques.

Bien entendu, il serait possible de réaliser des flancs d'alvéole perpendiculaires à la surface du silicium. Toutefois, ce mode de réalisation laisserait un degré de liberté de mouvement des pastilles dans la direction de l'épaisseur du substrat. Ce degré de liberté devra être verrouillé par un ajustement très précis de l'épaisseur de la pastille et de son liant (colle ou brasure), avec le substrat à la profondeur de l'alvéole. Cette opération est relativement difficile et peu compatible avec le choix de réaliser des alvéoles non débouchantes dans le substrat.

Selon l'invention, il convient de choisir, aussi bien pour les alvéoles que pour les côtés des pastilles, des flancs obliques parallèles aux 8 plans réticulaires d'orientation (1,1,1).

Les 8 directions (1,1,1), qui sont des constantes de la nature cristalline du silicium, sont des axes privilégiés selon lesquels les vitesses d'attaque chimique du silicium par certains agents chimiques sont très faibles en regard aux vitesses d'attaque selon les autres axes. L'utilisation d'agents chimiques pour l'attaque sélective du silicium selon certains axes cristallins est bien connue de l'homme de l'art ainsi qu'en témoigne le brevet U.S. n0 3765969 du 16 octobre 1973.

On notera V (1,0,0), la vitesse d'attaque du silicium par un agent chimique selon l'axe (1,0,0) et V (1,1,1), la vitesse d'attaque selon l'axe (1,1,1).

Des agents d'attaque possibles et les vitesses d'attaque chimique correspondantes peuvent être trouvées, par exemple, dans le document "chip alignment templates for multichip module assembly" SK Tewksbury, TL Lindstrom publié en mars 1987 dans
I.E.E.E. Trans. Chmt, Vol. 10, p 114.

De façon avantageuse, les structures cristallines à réseau cubique à faces centrées, du type du diamant, comme le silicium ou le germanium, sont préférentiellement attaqués par des solutions alcalines, par exemple à base d'hydroxyde de potassium KOH.

En revanche, les réseaux cubiques à faces centrées de la famille de la blende de zinc à laquelle appartient par exemple l'arsenure de gallium, doivent préférentiellement être attaqués par des solutions acides, par exemple à base de H3 PO4, contenant par exemple au moins l'un des constituants suivants : H2S04, HN03 ou Ho702.

Bien entendu, ces exemples sont donnés à titre illustratif et non limitatif.

Pour l'attaque du silicium par une solution de KOH, on obtient ainsi des vitesses V (1,0,0) = 200 microns par heure, ce qui donne un rapport
V(1,0,0)
= = 400 soit 0,5 micron par heure selon l'axe (1,1,1).

Pour les plaques de silicium. dont l'orientation normale est celle de l'axe cristallin (1,0,0" la géométrie est avantageusement celle présentée en figure 2, avec un angle de 54,740 d'orientation oblique des parois latérales 35 des alvéoles 11 ménagées dans le substrat 10.

Les tolérances sur la géométrie des alvéoles s'accommodent des trois défauts suivants apparaissant au cours de l'attaque chimique anisotrope du silicium par KOH.

A cause de la vitesse non nulle d'attaque chimique selon l'axe (1,1,1), il se produit un phénomène parasite de sousgravure. A titre d'exemple, pour une profondeur souhaitée de l'alvéole de 525 microns, la durée de l'attaque serait de 525/200 = 2,62 heures, soit 157 minutes environ. La sous-gravure correspondante selon l'axe (1,1,1), est 2,62 x 0,5 = 1,3 micron avec le KOH. Cette valeur, très faible, est favorable à la tenue de l'objectif de tolérances très étroites pour l'encastrement des pastilles et l'efficacité de la planarisation des couches minces.

En second lieu, les conditions physiques de l'attaque chimique peuvent entraîner une variation de + ou - 10 e sur la valeur de V (1,0,0), donc sur la profondeur. Ceci est sans effet notable sur les flancs obliques en attaque KOH (0,1 micron). En pratique, il suffira de prendre une réserve supplémentaire de 20 microns sur la profondeur.

Lors de la progression de l'attaque chimique selon l'axe (1,0,0), il apparaît enfin sur le fond et sur les flancs de la cavité des excroissances pyramidales d'une hauteur maximale égale à 20 microns. Les pyramides créées sur les flancs sont concentrées vers le fond de la cavité et disparaissent progressivement des que le fond de celle-ci s'éloigne de l'ordre de 20 microns. Il suffira de prendre une marge supplémentaire de 20 microns sur la profondeur, ce qui est sans effet notable sur le déplacement des flancs de la cavité.

Il peut également apparaître un phénomène de sousgravure lié au désalignement du masque de gravure par rapport aux axes cristallins. Une sous-gravure tolérable de 1 micron par heure exige une précision d'orientation du masque de 0,1 par rapport aux axes cristallins. Une telle précision peut être atteinte avec la mesure de l'orientation cristalline selon la méthode de Laüe précitée.

Selon l'invention, il est préconisé une prégravure avant l'attaque chimique anisotrope de manière à réduire considérablement la durée de celle-ci et à atténuer l'amplitude de la sous-gravure liée au désalignement du masque de gravure par rapport à l'axe cristallin repérable grâce au méplat créé sur les plaquettes de semiconducteur : axe (0,1,1) dans le cas du silicium (1,0,0).

Une réalisation préférentielle de la prégravure utilise une gravure ionique réactive basse pression accélérée par un champ magnétique agissant sur un plasma "M.R.I.E." dont les conditions physiques d'attaque du semi-conducteur assurent la directivité normale selon l'axe (1,0,0) avec un masquage à base de polyimide photosensible par exemple.

Un exemple de machine "M. R.I.E. " peut être le modèle "PRECISION 5000 CVD SYSTEM" de la société APPLIED
MATERIALS. Les plasmas utilisables, sont à base de gaz fluorés (CF4) ou chlorés (CCl2F2).

Dans la figure 4, le plan AB correspond à la surface du substrat silicium. Le plan AC correspond à l'un des flancs des alvéoles que l'on veut creuser dans le substrat: sa direction normale est celle de l'axe cristallin (1, 1, 1). C'est un plan d'arrêt naturel de l'attaque KOH à partir du plan AB.

La prégravure plasma directive progresse selon l'axe (1,0,0) parallèle au plan BC qui est un flanc raide normal à la surface du substrat. Sa profondeur est limitée au point C, intersection du flanc raide BC avec la plan d'arrêt AC issu du point A. Le phénomène de sous gravure qui l'affecte, à gauche du point B sur la figure 4 par exemple, (non représenté) n'est pas gênant pour le résultat final des opérations.

L'attaque chimique anisotrope qui suit la prégravure va progresser à partir de la surface ABCC'. Elle va donc progresser selon deux axes cristallins pour cette surface
l'axe (1, 0, 0) pour les portions de surface AB et CC'
L'axe (O, 1, 1) pour la portion de surface BC.

La progression selon l'axe (1, 0, 0) découvre les zones A ' et CDD' avec une vitesse d'attaque V (1, 0, 0).

La progression selon l'axe (0, 1. 1 ) découvre la zone
BCA' avec une vitesse d'attaque V (0, 1, 1).

En reprenant les données numériques présentées plus haut, la durée de l'attaque KOH, innitialement égale à 157 minutes, est réduite à 41 minutes avec prégravure M#R.I.E.

La profondeur de prégravure "M.R.l.E." atteint 387 microns.

La marge de prégravure "M.R.I.E." vaut 274 microns.

En cas de très faible désalignement entre le masque de gravure et l'axe (0, 1, 1) de l'ordre de 0,1 degré, la prégravure plasma possède encore, selon l'invention, un intérêt important : la réduction du temps d'attaque par le KOH limite le risque de saturation du bain chimique en silicium et donc celui d'une variation de vitesse de l'attaque chimique.

Les techniques de photolithographie utilisées pour l'êlaboration des alvéoles 11 supposent de réaliser un masquage efficace résistant à l'attaque chimique du KOH. Les matériaux suivant (non limitatifs) conviennent pour le masquage d'une plaquette de silicium parfaitement lisse
Les résines à chaînes polymères réticulées, et notamment certaines résines négatives pour photolithographie, ("Revue technique de Thomson CSF "Résines pour microlithographie" A. ER.#NI#N et J.C. DUBOIS.Laboratoire Central de Recherche, 1987)
oxyde de silicium Si 2 (épaisseur 1 micron)
. nitrure de silicium Si3 N 4 (épaisseur 1 micron)
métaux : le titane ou le chrome (épaisseur 5 000 angströms ! .

De tels revêtements sont déposés sélectivement sur les zones où l'on ne veut pas graver le silicium. Selon les techniques classiques de photolithographie, il faut graver chimiquement un dépôt uniforme de ces matériaux à travers un masque de résine photosensible. Celle-ci étant supposée du type "négative" pour fixer les idées, peut être dissoute dans les zones où le masquage du rayonnement ultra-violet a empêché sa polymérisation.

Après dissolution par un agent chimique, sans action sur la résine polymérisée, on attaque le revêtement dans les seules zones découvertes par la disparition de la résine non poly mérisée à l'aide d'une gravure sèche (plasma).

Selon l'invention, l'application de cette technique à la réalisation d'une prégravure "M.R.I.E." du silicium, suivie d'une gravure chimique anisotrope aboutit, par exemple, à la séquence d'opérations déjà présentée en référence aux figures 3a à 3h.

Cette séquence d'opérations est réalisée sur les deux faces du substrat en silicium
sur la première face (dite "supérieure"), cette séquence d'opérations sert à créer les alvéoles réceptacles des pastilles semi-conductrices,
sur la -seconde face (dite "inférieure"), une telle séquence d'opération sert à créer des orifices débouchants de section carrée, centrés sous chaque alvéole afin de permettre selon l'invention, une mise en dépression de celle-ci pour les phases ultérieures de fabrication du module. Plus simplement, de tels orifices (alors de section circulaire) peuvent être obtenus par perçage du silicium au laser.

On notera que les orifices débouchants centrés sous chaque alvéole peuvent également servir pour l'expulsion éventuelle d'un surplus de colle ou de liant lors de l'assemblage d'une pastille dans l'alvéole, ou encore pour faciliter le dégazage du fond d'alvéole nécessité, le cas échéant, par la nature de la colle ou du liant utilisé.

On va maintenant décrire un mode préférenriel de mise en oeuvre du procédé de séparation de pastilles de silicium devant être encastrées dans un substrat porteur alvéolé, à partir de plaquettes de pastilles de circuits intégrés.

Selon l'invention, pour aboutir à la géométrie de découpe des pastilles compatible avec leur encastrement dans les alvéoles du substrat porteur, il faut procéder à leur séparation par attaque chimique anisotrope sur la face arrière de la plaquette de semi-conducteur dont elles sont issues.

L'attaque chimique en face arrière permet d'éviter 1' endommagement des faces supérieures actives des pastilles. Le relief de la face supérieure des pastilles de circuits intégrés est relativement tourmente du fait de la présence de conducteurs, de couches de pastillation, et autres. Il est donc avantageux, pour en assurer la protection contre l'action destructive de l'agent d' attaque chimique, (par exemple une solution de KOH dans le cas du silicium), de l'aplanir avec une résine résistant à l'action chimique. Dans le cas d'une solution de KOH, un copolymère d'isoprène tel que le produit "SELECTILUX N 300" de la société
MERCK, convient.

La figure 5, sur les vues successives Sa à 5k, illustre une séquence préférentielle de séparation des pastilles, utilisant des processus de photolithographie. La séquence présentée comporte les étapes suivantes :
a. Rodage de la plaquette 50, mise à l'épaisseur, décapage HF + HNO3
b. Pulvérisation cathodique d'une couche 53 de titane en face arrière.

c. Dépôt 54,55 de résine négative (exemple copolymère d'isoprène "SELECTILlçX N 300" de la société MERCK) sur les deux faces.

d. Insolation aux ultra-violets 58 et cuisson à 1500 C.

e. Développement chimique (exemple "SELECTIPLAST
HTRD" de la société MERCK) puis gravure plasma 2 en face arrière.

f. Nouveau dépôt 56 de résine négative, insolation U.V., cuisson à plasma 2 en face arrière.

g. Gravure "MRlE" directive du silicium en face arrière à l'aide de plasmas fluorés ou chlores pour la prégravure 57 de séparation des pastilles ol, 52.

h. Gravure plasma 2 en face arrière pour l'élimination de la résine négative 55, 56.

i. Attaque chimique anisotrope au KOH en face arrière pour la formation des flancs obliques 59 des pastilles 51, 52.

j. Séparation finale des pastilles 51, 52, par dissolution de la résine dans un solvant, tel le LOSOLIN 4 de la société
MERCK, qui n'attaque pas le polyamide de protection éventuellement déposé en face avant des pastilles de circuits intégrés.

De façon avantageuse, on récupère les pastilles individualisées au cours de ladite opération de séparation au moyen d'un gabarit alvéolé. Le gabarit est réalisé dans un matériau résistant aux produits solvants des résines dissoutes à l'étape j.

L'attaque chimique anisotrope de l'étape j est effectuée à l'aide d'une solution de KOH, par exemple, dans le cas de pastilles de silicium. (On utilisera, le cas échéant, d'autres agents chimiques lorsque le matériau semi-conducteur sera différent, de la même manière que pour Itaivéolage du substrat, comme mentionné plus haut).

Au cours de l'opération de séparation chimique anisotrope des pastilles, il sera nécessaire de contrôler les risques de désalignement du masquage en face arrière par rapport à la face avant des pastilles, ainsi que de désalignement du masque de gravure de la plaquette par rapport à ces axes cristallins. Des erreurs dimensionnelles de l'ordre du micron sont tolérables.

L'opération de séparation chimique s'accompagne également d'un phénomène gênant de "facettage" des angles convexes. Du fait que l'attaque chimique est réalisée en face arrière de la plaquette 50 de silicium, le facettage peut être contrôlé de façon que la surgravure correspondante ne rejoigne pas la face avant des plaquettes. Toutefois, il est nécessaire de limiter, voire de compenser le facettage dans le cas où il conduit à modifier la hauteur d'encastrement de la pastille dans une alvéole (pastille trop saillante ou trop en retrait par rapport à la face supérieure du substrat). Le même phénomène apparaît du fait de la tolérance importante sur l'épaisseur des pastilies de siliclum (plus ou moins 12,5 microns).

Selon l'invention, une prégravure "MARIE", directive en face arrière de la plaquette de semi-conducteur vient au secours de ce problème de hauteur d'encastrement
suppression du facettage des angles convexes en face avant des pastilles et réduction du facettage en face arrière, grâce à la réduction de la durée d'attaque chimique,
atténuation des variations d'épaisseurs des pastilles.

La figure 6 représente en coupe transversale l'encastrement d'une pastille 12 dans une alvéole d'un substrat silicium (figure 6a) et les limites de gravure en face arrière de la plaquette "circuits intégrés" (Figure 651.

Si la vitesse d'attaque en prégravure est de 1 micron par minute, la profondeur de prégravure PQ' peut être contrôlée à + ou - 1 micron près. L'alignement du masque de prégravure par rapport à la position de la future alvéole étant précis à + ou - 1 micron, la position du point Q', départ de la prégravure et celle du point P, arrivée de la prégravure, sont définies avec une tolérance de + ou - 1 micron.

Le point P sert de référence à son tour au plan réticulaire d'arrêt de l'attaque chimique anisotrope, celle-ci devant se développer à gauche du plan normal au plan de la figure 6a et dont BQ est la trace dans ce plan.

La distance A'C' = 12,5 microns est la surépaisseur de la pastille par rapport à la valeur nominale assurant un encastrement parfait : c'est la surélévation de la pastille encastrée dans l'alvéole du substrat lorsque l'on procède à l'attaque chimique anisotrope, sans prégravure, à partir du point R de référence selon la ligne RA. Lorsqu'il est procédé à une prégravure, la distance .R'C' est réduite à B'C'=.R'C' - A'B'
=A'C' - 73,88 % A'C'
=0,2612 x 12,5 = 3,3 microns.

Selon la figure 6, il apparaît avec l'application d'une prégravure directive, une sous-gravure SQ du masque pour l'attaque chimique anisotrope, réalisant automatiquement la correction de largeur d'attaque en face arrière de la pastille, rendue nécessaire par la surépaisseur accidentelle de celle-ci.

L'assemblage des pastilles et du substrat alvéolé, après leur mise en forme respective, ne pose pas de problème particulier.

Comme représenté en figure 7, on peut prévoir une étape 72 d'encollage des alvéoles, puis une étape 78 de collage des pastilles individualisées. L'agent de collage utilisé, par exemple du polyamide, peut être choisi de façon que sa température de transition vitreuse soit supérieure à la température de cuisson des couches minces déposées à 1'étape 79.

Lors de l'opération d'alvéolage du substrat, il convient de s'assurer qu'on prévoit qu'après encastrement de chaque pastille dans son alvéole, il subsiste un espace suffisant entre la face inférieure de la pastille et le fond de l'alvéole, notamment pour le dépôt d'une couche de colle ou de liant.

Le dépôt des couches minces ne doit pas poser de problèmes du fait de la bonne planéité de l'assemblage réalisé en face supérieure.

De façon préférentielle, les films isolants et les niveaux conducteurs des couches minces sont réalisés en matériaux organiques plutôt que minéraux. Ces derniers exigeraient en effet une couche de planarisation du relief engendré par l'encastrement des pastilles dans le substrat, et présentent en outre l'inconvénient de limiter à 2 le nombre de niveaux métalliques conducteurs d'interconnexion réalisables en couches minces minérales.

Selon l'invention, il est avantageux d'utiliser des couches minces organiques en polyimide photosensible ou en photopolyanère équivalent.

Un exemple avantageux de processus itérative de dépôt des couches minces est illustré en figure 8.

Le dépôt d'une couche préalable de planarisation sur la surface du substrat contenant les pastilles encastrées est impératif dans le cas de dépôt de couches de couches minces minérales. En effet, leur épaisseur (environ 1 micron) est de l'ordre de grandeur des tolérances admises pour l'erreur d'encastrement de - chaque pastille dans son alvéole. Mais un tel dépôt est également envisageable dans le cas de couches minces organiques, malgré le fait que l'épaisseur de telles couches soit de l'ordre de 10 microns.

Comme précisé en fig.8, il est également avantageux de soumettre le réseau de couches minces dépose à un processus de cuisson sous vide, ce qui permet ce maintenir une température modérée de cuisson (adaptee à la préservation des propriétés électriques des pastilles), tout en facilitant le dégazage des couches minces. De façon avantageuse, chaque couche mince est successivement soumise à un tel processus de cuisson.

Après l'étape 80 de test final, l'encapsulation de l'étape 81 (Fig. 7) constitue la phase ultime de fabrication du module semi-conducteur suivant l'invention.

Durant les phases antérieures de fabrication, celles du développement des couches minces multiples d'interconnexion sur "silicium actif", la cohésion des pastilles et de leur substrat porteur était assurée par une mise en dépresssion de la face arrière des pastilles insérées dans les alvéoles du substrat.

Dès l'abandon de la mise en dépression, on se retrouve en présence d'un film mince plastique sur lequel adhèrent, en position retournée, les pastilles semi-conductrices. Il est alors intéressant, selon l'invention, d'avoir prévu initialement le dépôt de pastilles inactives aux endroits laissés vides par l'implantation de pastilles actives non jointives, d'inégales dimensions, de manière å réaliser une structure de mosaïque, irrégulière mais continue, sous les couches minces organiques. De telles pastilles inactives sont issues de plaquettes identiques à celles utilisées pour les substrats porteurs.

Suivant que les pastilles semi-conductrices sont ou non fortement dissipatrices de chaleur, on pourra utiliser des moyens de collage ou de brasure. En cas de nécessité, une plaque plane jouant le rôle de drain thermique ou de raidisseur mécanique est collée ou brasée sur le substrat porteur.

De façon avantageuse, on réalise des connexions externes sur le module assemblé, à partir de bossages conducteurs créés sur la face supérieure dudit réseau de couches minces multiples.

Claims (21)

REVENDICATIONS

1) Module semi-conducteur actif de type hybride, comportant plusieurs pastilles (12) semi-conductrices monocristallines de circuits intégrés, chacune insérée dans une alvéole (11) ménagée dans un substrat porteur monocristallin (101,

module caractérisé en ce que le matériau constitutif du substrat monocristallin (10) est de même structure cristallographique que le matériau constitutif des pastilles (12),

et en ce qu'au moins un plan de joint de chaque pastille (12) avec l'alvéole (11) correspondante dudit substrat (10) est essentiellement dans un plan cristallin de ladite structure cristallographique commune à la pastille (12) et au substrat (10).

2) Module suivant la revendication 1 caractérisé en qu'au moins un plan de joint de la pastille (12) avec l'alvéole (11) est essentiellement dans un plan cristallin oblique par rapport au plan supérieur du substrat (10).

3) Module suivant la revendication 1 caractérisé en ce que tous les plans de joint latéraux entre la pastille (12) et l'alvéole (11) correspondante dudit substrat (10), sont essentiellement dans des plans cristallins obliques par rapport au plan supérieur du substrat, de façon à définir une alvéole de sections verticales trapêzoîdales.

4) Module selon la revendication 1 caractérisé en ce que la structure cristallographique commune aux matériaux constitutifs du substrat (10) et de la pastille (12) est une structure cubique à faces centrées, du type du silicium, et en ce que l'agent chimique anisotrope appartient à la famille des solutions alcalines telles celles du KOH en solution.

5) Module selon la revendication 1 caractérisé en ce que la structure cristallographique commune aux matériaux constitutifs du substrat (10) et de la pastille (12) est une structure cubique à faces centrées, du type de ltAsGa et en ce que l'agent chimique anisotrope appartient à la famille des solutions acides, telles celles à base de H3P04, contenant par exemple HNO3, et/ou

H2 S04 et/ou H2 02.

6) Procédé de fabrication d'un module suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la mise en forme des plans de joint de la pastille (12) et/ou - de l'alvéole (11) correspondante du substrat (10) est réalisée par attaque chimique anisotrope.

7) Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que ladite attaque chimique anisotrope d'alvéolage du substrat et/ou de mise en forme de la pastille est dirigée au moyen d'un masque en résine constituée de chaines polymères réticulées réalisé par photolithographie.

8) Procédé suivant la revendication 7 caractérisé en ce que ladite résine constituée de chaines polymères réticulées appartient à la famille des résines négatives.

9) Procédé de fabrication d'un module selon l'une quelconque des revendications- 1 à 5, caractérisé en que l'opération de mise en forme des plans de joint de la pastille est réalisée au cours d'une opération de séparation de la pastille (51,52) dans une plaquette de pastilles de circuits intégrés (50).

10) Procédé selon la revendication 9 caractérisée en ce que ladite opération de séparation de pastilles (51,52) dans une plaquette (50) de pastilles de circuits intégrés est réalisée par gravure de la face arrière de la plaquette de pastilles.

11) Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'on récupère les pastilles (51,52) individualisées au cours de ladite opération de séparation au moyen d'un gabarit alvéolé.

12) Procédé selon les revendications 7 et 11 caractérisé en ce que ledit gabarit est réalisé en matériau résistant aux produits solvants desdites résines.

13) Procédé de fabrication d'un module selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite pastille (12) subit une opération de rodage en épaisseur sur sa face inactive, avant son encastrement dans le substrat alvéolé (1 0).

14) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 6 à 13, caractérisé en qu'on accélère la durée du processus d'alvéolage du substrat et/ou de mise en forme de la pastille, en réalisant une prégravure sèche, directive, telle que les gravures de type ioniques réactives, ioniques réactives accélérées par champ magnétique, ou microondes.

15) Procédé de fabrication d'un module selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on dépose un réseau de couches minces d'interconnexion ( 13 ) sur la partie supérieure du substrat (10) contenant au moins une pastille (12).

16) Procédé selon la revendication 15 caractérisé en qu'on dépose une couche de planarisation de la partie supérieure du substrat (10) avant dépôt dudit réseau de couches minces d'interconnexion (13).

17) Procédé selon la revendication 15 dans le cas de couches minces à diélectrique organique, caractérisé en ce qu'on soumet chaque couche mince dudit réseau (13) déposé. à un processus de cuisson sous vide, à température modérée adaptée à la préservation des propriétés électriques des pastilles (12).

18) Procédé de fabrication d'un module selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'on réalise un orifice traversant dans le fond de l'alvéole (11) de réception de la pastille (12), notamment pour la mise en dépression de l'alvéole lors de la réception de la pastille et/ou l'extrusion d'un excès de colle et/ou le dégazage de l'alvéole encollée.

19) Procédé de fabrication d'un module suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on ménage un espace suffisant entre la face inférieure de la pastille (12) et le fond de l'alvéole de réception (11), pour le dépôt d'une couche de colle et/ou de liant.

20) Procédé de fabrication d'un module selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on assure la cohésion mécanique de l'assemblage des pastilles encastrées dans le substrat alvéolé par collage et/ou brasure.

21) Procédé selon la revendication 15 caractérisé en qu'on réalise des connexions externes sur ledit module, à partir de bossages conducteurs créés sur la face supérieure dudit réseau de couches minces multiples (13).