FR3050570A1 - Structure d'interconnexion electrique multi-niveaux a distribution de densite de courant optimisee - Google Patents
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Abstract
Structure d'interconnexion électrique (100) comportant au moins un élément d'interconnexion (102) formant une liaison électrique entre des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104, 106) s'étendant dans des plans distincts, dans laquelle au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs comporte : - une première portion électriquement conductrice (112) avec laquelle l'élément d'interconnexion est en contact ; - au moins deux deuxièmes portions électriquement conductrices (114, 116) comportant des premières extrémités (115, 117) reliées électriquement à la première portion électriquement conductrice et s'étendant depuis la première portion électriquement conductrice dans des directions différentes (D1, D2) ; - une troisième portion électriquement conductrice (118) à laquelle des deuxièmes extrémités (119, 121) des deuxièmes portions électriquement conductrices sont reliées électriquement ; les première, deuxièmes et troisième portions électriquement conductrices formant, dans le plan dans lequel s'étend ledit niveau électriquement conducteur, au moins une boucle fermée.
Description
STRUCTURE D'INTERCONNEXION ELECTRIQUE MULTI-NIVEAUX A DISTRIBUTION DE
DENSITE DE COURANT OPTIMISEE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention porte sur le domaine des structures d'interconnexion électrique comprenant des éléments électriquement conducteurs formant des éléments d'interconnexion entre au moins deux niveaux électriquement conducteurs, par exemple des vias utilisés dans la partie dite back-end (ou «back-end of line » (BEOL)) d'un circuit électrique tel qu'un circuit intégré pour relier électriquement deux niveaux métalliques de la partie back-end, des TSV (ou « Through Silicon Via ») par exemple pour relier électriquement les faces avant et arrière d'un circuit électrique tel qu'un circuit intégré, ou encore des connecteurs tels que des piliers ou des billes conductrices pour relier électriquement deux circuits électriques tels que des circuits intégrés disposés l'un au-dessus de l'autre pour former un empilement 3D, ou une combinaison de ces différents éléments. L'électromigration est un problème récurrent ayan lieu dans un même niveau métallique et se posant notamment lorsqu'une interconnexion électrique est réalisée entre deux niveaux électriquement conducteurs. Ce phénomène correspond à un déplacement d'atomes dans un matériau conducteur qui est activé électriquement (flux d'électrons), thermiquement et mécaniquement (contraintes thermomécaniques). Ces déplacements d'atomes engendrent une diminution des performances du circuit électrique et peuvent conduire à former des circuits ouverts dans les interconnexions électriques et ainsi les rendre inopérantes.
Le document US 2009/0152724 Al propose, pour mieux répartir le courant électrique circulant entre deux niveaux conducteurs, une structure de type back-end dans laquelle au minimum deux vias et une portion conductrice intermédiaire sont utilisés pour former un élément d'interconnexion reliant les deux niveaux conducteurs. Sauf dans le cas d'un courant électrique important, cette structure n'est pas optimale car le via n'est en général pas la source du problème lié au phénomène d'électromigration. En effet, comme cela est décrit dans les documents « Reliability of Dual Damascene TSV for high density intégration: the electromigration issue » de S. Moreau et al., In Reliability Physics Symposium (IRPS), 2013 IEEE International, 2013, pages CP.l.l-CP.1.5, et « Reliability of TSV interconnects: Electromigration, thermal cycling, and impact on above métal level dielectric » de T. Franck et al., Microelectronics Reliability, vol. 53, 2013, pages 17-29, la détérioration de l'interconnexion engendrée par le phénomène d'électromigration se produit au niveau de l'un des niveaux conducteurs, selon le sens du courant électrique circulant entre ces niveaux conducteurs.
Le document US 2011/0193199 Al décrit une structure de type TSV qui, pour ne pas être impactée par le phénomène d'électromigration, présente une longueur inférieure ou égale à une longueur donnée appelée longueur de Blech. Toutefois, selon l'épaisseur du substrat, cette structure peut nécessiter la réalisation de plusieurs TSV empilés, ce qui complexifie grandement le procédé de fabrication de cette structure. En outre, cette structure ne résout pas réellement le problème de l'électromigration car comme indiqué ci-dessus, la détérioration de l'interconnexion engendrée par le phénomène d'électromigration se produit dans l'un des niveaux conducteurs selon le sens du courant électrique circulant entre ces niveaux conducteurs, et non au niveau des TSV.
Le document US 8 237 288 décrit une autre structure de type TSV qui, pour réduire le phénomène d'électromigration, comporte des faces latérales plates par lesquelles le courant circule depuis et vers les niveaux conducteurs reliés par ce TSV. L'extrémité du TSV est également disposée contre une portion conductrice réalisée sous la forme d'une grille. La réduction de l'électromigration obtenue avec cette solution est toutefois insuffisante.
Une autre solution pour réduire le phénomène d'électromigration se produisant dans une liaison électrique entre deux niveaux électriquement conducteurs consiste à multiplier le nombre d'éléments d'interconnexion entre ces deux niveaux. Cette solution a pour inconvénient d'augmenter le coût lié à la réalisation de cette liaison électrique, et donc d'augmenter le coût final du composant électronique comportant cette liaison électrique. Par exemple, réaliser une redondance de TSV dans un circuit intégré pour former une seule interconnexion augmente notamment le temps de gravure du semi-conducteur du circuit intégré ainsi que le temps de remplissage du matériau métallique des TSV, et donc le coût de réalisation final du circuit intégré.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Un but de la présente invention est de proposer une nouvelle structure d'interconnexion électrique permettant d'améliorer la réduction du phénomène d'électromigration se produisant dans une liaison électrique entre deux niveaux électriquement conducteurs de cette structure, sans augmenter le coût lié à la réalisation de cette liaison électrique.
Pour cela, la présente invention propose une structure d'interconnexion électrique comportant au moins un élément d'interconnexion formant au moins une liaison électrique entre des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs s'étendant dans des plans distincts, dans laquelle au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs comporte au moins : - une première portion électriquement conductrice avec laquelle l'élément d'interconnexion est en contact ; - au moins deux deuxièmes portions électriquement conductrices comportant des premières extrémités reliées électriquement à la première portion électriquement conductrice et s'étendant depuis la première portion électriquement conductrice dans des directions différentes ; - une troisième portion électriquement conductrice à laquelle des deuxièmes extrémités des deuxièmes portions électriquement conductrices sont reliées électriquement ; les première, deuxièmes et troisième portions électriquement conductrices formant, dans le plan dans lequel s'étend ledit au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs, au moins une boucle fermée.
Cette structure d'interconnexion comporte donc, au niveau d'au moins un des niveaux électriquement conducteurs reliés par l'élément d'interconnexion, des portions électriquement conductrices formant au moins une boucle fermée, c'est-à-dire entourant au moins un espace vide, permettant donc au courant traversant l'élément d'interconnexion d'emprunter, depuis l'interface entre l'élément d'interconnexion et ce niveau électriquement conducteur, au moins deux chemins de conduction différents, s'étendant dans des directions différentes et qui se rejoignent au niveau de la troisième portion électriquement conductrice.
Ces multiples chemins de conduction, formés grâce aux deuxièmes portions conductrices qui s'étendent dans des directions différentes et qui joignent les première et troisième portions électriquement conductrices, réduisent l'intensité du courant électrique et la densité de courant passant dans chacune des deuxièmes portions du fait que le courant passe, à l'interface entre l'élément d'interconnexion et ce niveau électriquement conducteur, par au moins deux régions ou zones distinctes au niveau de l'interface entre l'élément d'interconnexion et ce niveau électriquement conducteur, contrairement à une structure d'interconnexion classique dans laquelle le courant circule entre l'élément d'interconnexion et l'un des niveaux électriquement conducteurs en passant intégralement par une seule région de cette interface où se concentre la totalité du courant et donc toute la densité de courant.
Cette multiplication des régions, ou zones, par lesquelles passe le courant à l'interface entre l'élément d'interconnexion et au moins l'un des niveaux électriquement conducteurs ainsi formé se traduit par une réduction, voire une suppression, du phénomène d'électromigration pouvant se produire à cette interface.
Cette structure d'interconnexion permet de diminuer les effets de concentration de courant/densité de courant, ou « current crowding » en anglais, se produisant à l'interface entre l'élément d'interconnexion et le niveau électriquement conducteur comportant les portions électriquement conductrices qui forment la ou les boucles fermées. La concentration de courant correspond à une distribution non homogène en termes de densité de courant dans un conducteur électrique ou un semi-conducteur, et notamment lors de changements sévères de dimensions des éléments formant le chemin de conduction par lequel passe le courant (correspondant ici au changement de dimensions entre l'élément d'interconnexion et la première portion électriquement conductrice). A résistance équivalente d'un point de vue de l'électromigration, la structure d'interconnexion électrique selon l'invention permet d'augmenter la valeur de l'intensité du courant supportée par rapport à une structure d'interconnexion électrique conventionnelle. L'élément d'interconnexion peut être un via conducteur ou un TSV ou un pilier conducteur.
De manière avantageuse, lorsqu'il est possible de définir un sens de circulation d'un courant électrique continu passant par l'élément d'interconnexion, ledit au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs comportant les portions électriquement conductrices formant la boucle fermée peut correspondre au niveau électriquement conducteur dans lequel le courant électrique continu est destiné à entrer après avoir traversé l'élément d'interconnexion.
La réalisation des différentes portions électriquement conductrices formant la ou les boucles fermées ne complexifie pas le procédé de réalisation de la structure d'interconnexion électrique et n'augmente pas le coût de cette structure puisque cette structure d'interconnexion électrique ne comporte aucun élément supplémentaire par rapport à une structure d'interconnexion classique (pas de redondance d'éléments d'interconnexion). Seules les étapes de réalisation dudit niveau conducteur doivent être mises en oeuvre telles qu'elles structurent les différentes portions électriquement conductrices dudit niveau conducteur pour former la ou les boucles fermées.
Dans un mode de réalisation particulier, la structure d'interconnexion électrique peut comporter trois deuxièmes portions électriquement conductrices telles que les première, deuxièmes et troisième portions électriquement conductrices forment, dans le plan dans lequel s'étend ledit au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs, deux boucles fermées. Dans ce cas, trois chemins de conduction sont formés pour le passage du courant entre l'élément d'interconnexion et la première portion électriquement conductrice, réduisant ainsi d'un facteur égal à environ 3 l'intensité et la densité de courant dans chacune des régions de l'interface entre l'élément d'interconnexion et la première portion électriquement conductrice par lesquelles passe le courant.
Dans ce cas, l'une des deuxièmes portions électriquement conductrices peut former au moins un côté de chacune des deux boucles fermées.
En outre, ladite une des deuxièmes portions électriquement conductrices peut comporter une section, dans un plan perpendiculaire au plan dans lequel s'étend ledit au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs, de dimensions inférieures à celles des sections des autres deuxièmes portions électriquement conductrices. Dans cette configuration, cette deuxième portion électriquement conductrice de section de dimensions inférieures à celles des sections des autres deuxièmes portions peut présenter une longueur réduite par rapport aux autres deuxièmes portions, et donc une résistance électrique moindre pour une même section électriquement conductrice. En réduisant les dimensions de la section de cette deuxième portion par rapport aux autres, et qui forme une portion centrale par rapport aux autres deuxièmes portions, il est possible d'aboutir à des deuxièmes portions présentant des résistances électriques qui soient sensiblement équivalentes les unes par rapport aux autres, et donc des résistances électriques sensiblement équivalentes vis-à-vis de l'électromigration.
De manière générale, la structure d'interconnexion électrique peut comporter plus de deux deuxièmes portions électriquement conductrices qui forment au moins deux boucles fermées et forment ainsi plus de deux chemins de conduction entre l'élément d'interconnexion et la première portion électriquement conductrice. De manière avantageuse, la structure d'interconnexion électrique comporte un nombre pair de deuxièmes portions électriquement conductrices, ce qui facilite le dessin, ou design, du niveau électriquement conducteur qui comporte ces portions électriquement conductrices.
Chacun des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs peut comporter des première, deuxièmes et troisième portions électriquement conductrices formant, dans les plans dans lesquels s'étendent les premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs, au moins une boucle fermée. Une telle configuration est avantageuse car les deux interfaces entre l'élément d'interconnexion et chacun des niveaux électriquement conducteurs sont optimisées pour réduire le phénomène d'électromigration pouvant se produire à ces interfaces. Cette configuration est particulièrement adaptée lorsque le courant circulant dans la structure d'interconnexion électrique est un courant alternatif, ou lorsque le courant circulant dans la structure d'interconnexion électrique est un courant électrique continu dont le sens de circulation ne peut pas être déterminé ou difficilement déterminable.
La structure d'interconnexion électrique peut être telle que : - les premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs sont des niveaux métalliques d'un circuit électrique, au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs étant enterré (c'est-à-dire disposé au sein du circuit électrique et recouvert d'un ou plusieurs matériaux du circuit électrique), et l'élément d'interconnexion est un via conducteur traversant au moins une couche diélectrique disposée entre les premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs ; ou - chacun des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs est disposé sur l'une des faces avant et arrière d'un circuit électrique et l'élément d'interconnexion est de type TSV et traverse le circuit électrique ; ou - les premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs sont disposés sur des circuits électriques différents qui sont empilés l'un au-dessus de l'autre et reliés électriquement entre eux par des connecteurs incluant l'élément d'interconnexion (qui sont par exemple dans ce cas des piliers conducteurs ou des billes conductrices).
Le circuit électrique peut être un circuit intégré ou un circuit imprimé ou un ensemble comprenant au moins un circuit intégré et un circuit imprimé.
Lorsque les premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs sont des niveaux métalliques, par exemple d'une partie back-end d'un circuit intégré, et que l'élément d'interconnexion est par exemple un via conducteur, les connexions correspondant aux différents chemins de conduction formés grâce aux plusieurs deuxièmes portions électriquement conductrices peuvent avoir chacune une longueur inférieure à la longueur de Blech. Cette longueur de Blech correspond à une limite supérieure pour la longueur de l'interconnexion qui permet une plus grande capacité de transport du courant électrique et en dessous de laquelle, pour une densité de courant donnée, il n'y a pas d'électromigration. Toutes les liaisons électriques ayant une longueur inférieure à cette limite ont une durée de vie accrue d'un point de vue du phénomène d'électromigration en raison d'une accumulation de contrainte mécanique provoquant un processus de flux atomique en retour qui réduit ou même compense la diffusion de la matière vers l'anode. L'invention porte également sur un procédé de réalisation d'une structure d'interconnexion électrique comportant au moins les étapes de : - réalisation de premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs s'étendant dans des plans distincts, dans laquelle au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs comporte au moins : • une première portion électriquement conductrice ; • au moins deux deuxièmes portions électriquement conductrices comportant des premières extrémités reliées électriquement à la première portion électriquement conductrice et s'étendant depuis la première portion électriquement conductrice dans des directions différentes ; • une troisième portion électriquement conductrice à laquelle des deuxièmes extrémités des deuxièmes portions électriquement conductrices sont reliées électriquement ; et telles que les première, deuxièmes et troisième portions électriquement conductrices forment, dans le plan dans lequel s'étend ledit au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs, au moins une boucle fermée ; - réalisation d'au moins un élément d'interconnexion en contact avec la première portion électriquement conductrice et formant au moins une liaison électrique entre les premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs.
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 : - la figure 1 représente une structure d'interconnexion électrique, objet de la présente invention, selon un premier mode de réalisation ; - la figure 2 représente schématiquement une partie de la structure d'interconnexion électrique, objet de la présente invention, selon le premier mode de réalisation ; - la figure 3 représente schématiquement une structure d'interconnexion électrique conventionnelle de l'art antérieur; - la figure 4 représente la densité de courant obtenue dans une structure d'interconnexion électrique, objet de la présente invention, selon le premier mode de réalisation et celle obtenue dans une structure d'interconnexion électrique de l'art antérieur ; - la figure 5 représente schématiquement une structure d'interconnexion électrique, objet de la présente invention, selon un deuxième mode de réalisation.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après 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 nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une structure d'interconnexion électrique 100 selon un premier mode de réalisation.
Cette structure d'interconnexion électrique 100 comporte une liaison électrique formée par un élément d'interconnexion 102, correspondant ici à un TSV conducteur, entre un premier niveau électriquement conducteur 104 et un deuxième niveau électriquement conducteur 106.
Chacun des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs 104,106 est par exemple disposé sur l'une des faces avant et arrière d'un circuit intégré et l'élément d'interconnexion 102 de type TSV traverse ce circuit intégré. Selon le moment où cet élément d'interconnexion 102 est réalisé au cours de la fabrication du circuit intégré, cet élément 102 sera de type « TSV First », « TSV Middle » ou « TSV Last ». Le procédé de réalisation d'une telle structure d'interconnexion électrique 100 peut être similaire à celui décrit dans le document « Handbook of 3D intégration : 3D Process Technology » de P. Garrou et al., vol. 3, 2014, pages 65-77.
Les niveaux électriquement conducteurs 104, 106 comportent par exemple du cuivre, et l'élément d'interconnexion 102 comporte par exemple du cuivre ou du tungstène. D'autres matériaux électriquement conducteurs peuvent toutefois être utilisés pour réaliser l'élément d'interconnexion 102 et/ou les niveaux électriquement conducteurs 104, 106. De plus, l'élément d'interconnexion 102 peut comporter uniquement un ou plusieurs matériaux électriquement conducteurs, ou bien comporter également des matériaux barrières tels que du TaN/Ta ou du Ti/TiN, ou encore comporter une région de vide entourée d'un ou plusieurs matériaux électriquement conducteurs. Par exemple, lorsque l'élément d'interconnexion 102 est de type via ou TSV, il peut ne comporter qu'un seul matériau électriquement conducteur, généralement du cuivre, et être muni d'une barrière sur les flancs et sur au moins sa base ou son sommet. Lorsque l'élément d'interconnexion 102 est un pilier, il peut comporter un empilement de type matériau barrière / Cu / SnAg, avec dans ce cas le matériau barrière formé à sa base, assemblé à un autre empilement sensiblement similaire (structure de type « Copper pillar + Copper bump »).
Dans le premier mode de réalisation décrit ici, le courant électrique est destiné à circuler depuis le deuxième niveau électriquement conducteur 106 vers le premier niveau électriquement conducteur 104 en passant par l'élément d'interconnexion 102.
Le deuxième niveau électriquement conducteur 106 comporte ici une portion électriquement conductrice réalisée de manière conventionnelle, c'est-à-dire sous la forme d'une portion ayant une surface, dans le plan principal dans lequel s'étend le deuxième niveau électriquement conducteur 106 (plan parallèle au plan (X,Y) de la figure 1), de forme sensiblement rectangulaire. L'élément d'interconnexion 102 est réalisé sous la forme d'un TSV de section, dans un plan parallèle au plan (X,Y), sensiblement circulaire. Une première extrémité 108 de l'élément d'interconnexion 102 est en contact avec le premier niveau électriquement conducteur 104 et une deuxième extrémité 110 de l'élément d'interconnexion 102 est en contact avec le deuxième niveau électriquement conducteur 106.
Afin de réduire l'électromigration due à la circulation du courant à travers les niveaux électriquement conducteurs 104, 106 et l'élément d'interconnexion 102, le premier niveau électriquement conducteur 104 est réalisé avec une géométrie permettant de multiplier le nombre de zones ou régions de concentration du courant circulant depuis l'élément d'interconnexion 102 vers le premier niveau électriquement conducteur 104. Pour cela, le premier niveau électriquement conducteur 104 comporte : - une première portion électriquement conductrice 112 qui est en contact avec l'élément d'interconnexion 102, ici tel que la première extrémité 108 de l'élément d'interconnexion 102 repose entièrement sur et contre cette première portion électriquement conductrice 112 ; - des deuxièmes portions électriquement conductrices 114, 116 comportant des premières extrémités 115, 117 reliées électriquement à la première portion électriquement conductrice 112 et s'étendant depuis la première portion électriquement conductrice 112 dans des directions différentes en formant deux branches, ou bras, distinctes ; - une troisième portion électriquement conductrice 118 au niveau de laquelle des deuxièmes extrémités 119, 121 des deuxièmes portions électriquement conductrices 114,116 se rejoignent et qui est en contact avec le reste du premier niveau électriquement conducteur référencé 120.
Ces portions électriquement conductrices 112, 114, 116, 118 forment, dans le plan (X,Y), au moins une boucle entourant un espace vide 122 se trouvant à côté de la première portion électriquement conductrice 112 sur laquelle repose la première extrémité 108 de l'élément d'interconnexion 102. Ainsi, lorsque le courant provenant de l'élément d'interconnexion 102 arrive à proximité de la première portion électriquement conductrice 112, deux chemins de conduction sont empruntés par ce courant : l'un passant par la deuxième portion électriquement conductrice 114 et l'autre passant par la deuxième portion électriquement conductrice 116. A l'interface entre la première extrémité 108 de l'élément d'interconnexion 102 et la première portion électriquement conductrice 112, le courant passe donc par deux régions ou zones distinctes et éloignées l'une de l'autre de la première extrémité 108 de l'élément d'interconnexion 102, l'une se trouvant du côté de la deuxième portion électriquement conductrice 114 et l'autre se trouvant du côté de la deuxième portion électriquement conductrice 116. Cette séparation du courant dans les deux branches distinctes de la boucle est représentée schématiquement sur la figure 2 sur laquelle le courant est représenté par des lignes, les flèches correspondant au sens de circulation de ce courant.
Cette séparation des chemins suivis par le courant à l'interface entre l'élément d'interconnexion 102 et la première portion électriquement conductrice 112 grâce aux multiples branches formées par les deuxièmes portions électriquement conductrices 114, 116 permet de réduire les effets de concentration du courant, et donc de réduire la densité de courant, au niveau des régions, ou zones, de la première extrémité 108 de l'élément d'interconnexion 102 par lesquelles sort le courant car à cette première extrémité 108, le courant est concentré dans plusieurs zones ou régions espacées les unes des autres et non dans une unique zone comme c'est le cas par exemple lorsqu'un TSV relie deux niveaux métalliques classiques. A titre comparatif, la figure 3 représente une structure d'interconnexion classique dans laquelle le premier niveau électriquement conducteur est formé par une simple portion électriquement conductrice 10 de section rectangulaire dans le plan (Y, Z) et par exemple de forme rectangulaire dans le plan (X,Y). Dans une telle configuration, le courant circulant depuis le deuxième niveau électriquement conducteur 106 vers la première portion 10 à travers l'élément d'interconnexion 102 se concentre, à l'interface entre l'élément d'interconnexion 102 et la portion 10, dans une unique région 12 se trouvant au niveau de cette interface et du côté vers lequel s'étend la portion 10 selon la direction de propagation du courant.
Dans le premier mode de réalisation décrit en liaison avec les figures 1 et 2, les deuxièmes portions électriquement conductrices 114,116 forment des branches de géométrie similaire, et ont chacune une largeur « L » égale à environ 4 pm et une épaisseur « e » égale à environ 0,35 pm. De plus, ces deux branches sont symétriques par rapport à l'axe AA qui passe sensiblement au milieu de l'interface entre la première portion électriquement conductrice 112 et la première extrémité 108 de l'élément d'interconnexion 102 et qui s'étend dans la direction de circulation du courant dans la partie 120 du premier niveau électriquement conducteur 104. En outre, les parties des deux branches formées par les deuxièmes portions électriquement conductrices 114,116 s'étendent depuis la première portion électriquement conductrice 112 dans deux directions différentes, ici opposées, référencées DI et D2 sur les figures 1 et 2 et parallèles à l'axe Y, ce qui permet d'avoir, à l'interface entre la première extrémité 108 de l'élément d'interconnexion 102 et la première portion électriquement conductrice 112, deux zones ou régions de concentration de courant se trouvant à l'opposé l'une de l'autre et dans lesquelles l'amplitude de densité de courant est donc divisée par environ 2 par rapport à la densité de courant obtenue de la région 12 de la structure d'interconnexion représentée sur la figure 3.
La courbe 50 représentée sur la figure 4 représente la densité de courant obtenue dans l'élément d'interconnexion 102 (partie de la courbe référencée 52) et la portion 10 (partie de la courbe référencée 56) de la structure d'interconnexion électrique représentée sur la figure 3. Dans le cas présent, la densité de courant est imposée à 1 MA/cm2 dans la portion 10, ce qui correspond à une courant électrique de 14 mA du fait de sa section (4 pm x 0,35 pm). La référence 54 désigne la densité de courant maximale obtenue dans la région 12. La courbe 60 représente la densité de courant obtenue dans l'élément d'interconnexion 102 (partie de la courbe référencée 62) et les deuxièmes portions électriquement conductrices 114,116 (parties de la courbe référencées 64 et 66) lorsqu'un courant similaire à celui circulant dans la structure d'interconnexion électrique de la figure 3 est envoyé dans la structure d'interconnexion électrique 100 précédemment décrite en liaison avec les figures 1 et 2. Les références 68 et 70 désignent les densités de courant maximales obtenues dans les régions se trouvant à l'interface de la première extrémité 108 de l'élément d'interconnexion 102 avec la première portion électriquement conductrice 112 et dans desquelles passent le courant électrique. Ces courbes montrent bien la réduction d'environ 50 % de la densité de courant maximale obtenue grâce à la structure particulière formée par les portions électriquement conductrices 112, 114,116, 118.
En variante, les deuxièmes portions électriquement conductrices 114, 116 peuvent s'étendre, depuis la première portion électriquement conductrice 112, selon deux directions différentes qui ne sont pas nécessairement opposées l'une de l'autre, mais par exemple perpendiculaires l'une de l'autre ou formant un angle différent du moment que cet angle permet au courant de passer par des régions distinctes à l'interface entre l'élément d'interconnexion 102 et la première portion électriquement conductrice 112.
Une structure d'interconnexion électrique 100 selon un deuxième mode de réalisation est représentée sur la figure 5.
Cette structure d'interconnexion électrique 100 comporte tous les éléments de celle selon le premier mode de réalisation précédemment décrit en liaison avec la figure 1. Toutefois, par rapport à la structure d'interconnexion électrique 100 selon le premier mode de réalisation, cette structure d'interconnexion électrique 100 selon le deuxième mode de réalisation comporte une deuxième portion électriquement conductrice 124 supplémentaire comportant une première extrémité 123 reliée électriquement à la première portion électriquement conductrice 112 et une deuxième extrémité 125 reliée électriquement à la troisième portion électriquement conductrice 118. Les deuxièmes portions électriquement conductrices 114, 116 et 124 forment trois bras, ou trois branches, s'étendant depuis la première portion électriquement conductrice 112 dans des directions différentes. Dans le deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 5, les deuxièmes portions électriquement conductrices 114,116 s'étendent depuis la première portion électriquement conductrice 112 respectivement selon les directions DI et D2 qui sont opposées l'une de l'autre et parallèles à l'axe Y, et la deuxième portion électriquement conductrice 124 s'étend depuis la première portion électriquement conductrice 112 selon la direction D3 qui est perpendiculaire aux directions DI et D2 et parallèle à l'axe X. La direction D3 est ici perpendiculaire aux directions Dlet D2.
Ces portions électriquement conductrices 112, 114, 116, 118 et 124 forment deux boucles entourant chacune un espace vide 126,128 se trouvant à côté de la première portion électriquement conductrice 112 sur laquelle repose la première extrémité 108 de l'élément d'interconnexion 102. Ainsi, lorsque le courant provenant de l'élément d'interconnexion 102 arrive à proximité de la première portion électriquement conductrice 112, trois chemins de conduction sont empruntés par ce courant : l'un passant par la deuxième portion électriquement conductrice 114, un deuxième passant par la deuxième portion électriquement conductrice 116 et un troisième passant par la deuxième portion électriquement conductrice 124. A l'interface entre la première extrémité 108 de l'élément d'interconnexion 102 et la première portion électriquement conductrice 112, le courant emprunte donc trois chemins, l'un passant par le côté de la première extrémité 108 se trouvant du côté de la deuxième portion électriquement conductrice 114, un deuxième passant par le côté de la première extrémité 108 se trouvant du côté de la deuxième portion électriquement conductrice 116 et un troisième passant par le côté de la première extrémité 108 se trouvant du côté de la deuxième portion électriquement conductrice 124. A l'interface entre la première extrémité 108 de l'élément d'interconnexion 102 et la première portion électriquement conductrice 112, trois zones de concentration de courant distinctes et espacées les unes des autres et dans lesquelles l'amplitude de densité de courant est donc divisée par environ trois par rapport à la densité de courant obtenue de la région 12 de la structure d'interconnexion représentée sur la figure 3, sont donc obtenues.
Dans ce deuxième mode de réalisation, une largeur L2 de la deuxième portion électriquement conductrice 124 est différente de la largeur Li des deuxièmes portions électriquement conductrices 114,116. Par exemple, L2 est ici égale à environ 1,6 pm et Li est égale à environ 4 pm. Les deuxièmes portions électriquement conductrices 114, 116 et 124 ont chacune une épaisseur égale à environ 0,35 pm. Dans une telle configuration, et par rapport à une structure d'interconnexion classique telle que celle représentée sur la figure 3 dans laquelle le courant circulant dans la première portion 10 serait égal à environ 14 mA avec une densité de courant de 1 MA/cm2, la structure d'interconnexion électrique 100 selon ce deuxième mode de réalisation permet d'avoir, dans chacun des bras formés par les deuxièmes portions électriquement conductrices 114, 116 et 124, un courant égal à environ 4,6 mA et une densité de courant égale à environ 0,3 MA/cm2 dans les deuxièmes portions électriquement conductrices 114, 116 et une densité de courant égale à environ 0,85 MA/cm2 dans la deuxième portion électriquement conductrice 124.
En variante, les deuxièmes portions électriquement conductrices 114, 116 et 124 peuvent d'étendre, depuis la première portion électriquement conductrice 112, selon trois directions différentes autres que celles précédemment décrites, par exemple selon trois directions formant, entre deux directions voisines, un angle par exemple égal à environ 90°, ou des angles différents les uns des autres.
Selon un autre mode de réalisation, la structure d'interconnexion électrique 100 peut comporter un nombre différent, avantageusement pair, de deuxièmes portions électriquement conductrices s'étendant selon des directions différentes depuis la première portion électriquement conductrice 112. De plus, les formes et/ou les dimensions des deuxièmes portions électriquement conductrices peuvent être différentes les unes des autres, aboutissant à une structure symétrique ou non par rapport à un plan ou un axe donné.
Dans la description, les éléments d'interconnexion 102 correspondent à des TSV. Les éléments d'interconnexion peuvent toutefois être des éléments autres que des TSV, par exemple des vias, des piliers, etc.
Ainsi, en variante des modes de réalisation précédemment décrits, les premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs 104,106 peuvent correspondre à des niveaux métalliques d'une partie back-end d'un circuit intégré, et l'élément d'interconnexion 102 correspond à un via conducteur reliant électriquement ces deux niveaux métalliques. Le procédé de réalisation d'une telle structure d'interconnexion électrique 100 peut être similaire à celui décrit dans le document « Copper interconnections and reliability » de C.-K. Hu et al., Materials Chemistry and Physics, vol. 52, pages 5-16, 1998.
Selon une autre variante, les premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs 104, 106 peuvent être disposés sur des circuits intégrés différents qui sont empilés l'un au-dessus de l'autre selon une intégration 3D et reliés électriquement entre eux par des connecteurs formant chacun un élément d'interconnexion 102 et qui sont par exemple des piliers conducteurs ou des billes conductrices. Le procédé de réalisation d'une telle structure d'interconnexion électrique 100 peut être similaire à celui décrit dans le document « 3D intégration technology for set-top box application » de D. Henry et al., in 3D System Intégration, 2009. 3DIC 2009., IEEE International Conférence on, 2009, pages 1-7.
Dans les modes de réalisation et variantes précédemment décrits, une seule interconnexion entre les niveaux électriquement conducteurs 104, 106 de la structure d'interconnexion électrique 100 est décrite. Toutefois, les caractéristiques de cette interconnexion peuvent s'appliquer à plusieurs voire à toutes les interconnexions entre les niveaux électriquement conducteurs de la structure d'interconnexion électrique 100. De plus, la structure d'interconnexion électrique 100 peut comporter plus de deux niveaux électriquement conducteurs ainsi reliés électriquement entre eux.
Dans les modes de réalisation précédemment décrits, seul le premier niveau électriquement conducteur 104 comporte différentes portions électriquement conductrices formant une ou plusieurs boucles permettant de multiplier le nombre de zones de concentration de courant par lesquelles un courant continu sort de l'élément d'interconnexion 102. En variante, lorsque le courant circule depuis le premier niveau électriquement conducteur 104 vers le deuxième niveau électriquement conducteur 106, les différentes portions électriquement conductrices formant une ou plusieurs boucles peuvent être réalisées au niveau du deuxième niveau électriquement conducteur 106. Selon une autre variante, par exemple lorsque le sens de circulation d'un courant continu ne peut pas être déterminé à l'avance ou dans le cas d'un courant électrique alternatif, les deux niveaux électriquement conducteur 104,106 peuvent comporter chacun des portions électriquement conductrices formant une ou plusieurs boucles multipliant le nombre de zones de concentration de courant par lesquelles le courant entre et/ou sort de l'élément d'interconnexion 102.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Structure d'interconnexion électrique (100) comportant au moins un élément d'interconnexion (102) formant au moins une liaison électrique entre des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104,106) s'étendant dans des plans distincts, dans laquelle au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104) comporte au moins : - une première portion électriquement conductrice (112) avec laquelle l'élément d'interconnexion (102) est en contact ; - au moins deux deuxièmes portions électriquement conductrices (114, 116,124) comportant des premières extrémités (115,117,123) reliées électriquement à la première portion électriquement conductrice (112) et s'étendant depuis la première portion électriquement conductrice (112) dans des directions différentes (Dl, D2, D3) ; - une troisième portion électriquement conductrice (118) à laquelle des deuxièmes extrémités (119,121,125) des deuxièmes portions électriquement conductrices (114,116,124) sont reliées électriquement ; les première, deuxièmes et troisième portions électriquement conductrices (112, 114, 116, 118, 124) formant, dans le plan dans lequel s'étend ledit au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104), au moins une boucle fermée.
- 2. Structure d'interconnexion électrique (100) selon la revendication 1, dans laquelle l'élément d'interconnexion (102) est un via conducteur ou un TSV ou un pilier conducteur.
- 3. Structure d'interconnexion électrique (100) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104) correspond au niveau électriquement conducteur dans lequel un courant électrique continu est destiné à entrer après avoir traversé l'élément d'interconnexion (102).
- 4. Structure d'interconnexion électrique (100) selon l'une des revendications précédentes, comportant trois deuxièmes portions conductrices (114,116, 124) telles que les première, deuxièmes et troisième portions conductrices (112,114,116, 118, 124) délimitent, dans le plan dans lequel s'étend ledit au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104), deux boucles fermées.
- 5. Structure d'interconnexion électrique (100) selon la revendication 4, dans laquelle l'une des deuxièmes portions conductrices (124) délimite au moins un côté de chacune des deux boucles fermées.
- 6. Structure d'interconnexion électrique (100) selon la revendication 5, dans laquelle ladite une des deuxièmes portions conductrices (124) comporte une section, dans un plan perpendiculaire au plan dans lequel s'étend ledit au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104), de dimensions inférieures à celles des sections des autres deuxièmes portions conductrices (114,116).
- 7. Structure d'interconnexion électrique (100) selon l'une des revendications 1 à 3, comportant un nombre pair de deuxièmes portions conductrices (114,116).
- 8. Structure d'interconnexion électrique (100) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle chacun des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104, 106) comporte des première, deuxièmes et troisième portions électriquement conductrices (112, 114, 116,118,124) délimitant, dans les plans dans lesquels s'étendent les premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104,106), au moins une boucle fermée.
- 9. Structure d'interconnexion électrique (100) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle : - les premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104.106) sont des niveaux métalliques d'un circuit électrique, au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs étant enterré, et l'élément d'interconnexion (102) est un via conducteur traversant au moins une couche diélectrique disposée entre les premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104, 106) ; ou - chacun des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104.106) est disposé sur l'une des faces avant et arrière d'un circuit électrique et l'élément d'interconnexion (102) est de type TSV et traverse le circuit électrique ; ou - les premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104, 106) sont disposés sur des circuits électriques différents qui sont empilés l'un au-dessus de l'autre et reliés électriquement entre eux par des connecteurs incluant l'élément d'interconnexion (102).
- 10. Structure d'interconnexion électrique (100) selon la revendication 9, dans laquelle le circuit électrique est un circuit intégré ou un circuit imprimé ou un ensemble comprenant au moins un circuit intégré et un circuit imprimé.
- 11. Procédé de réalisation d'une structure d'interconnexion électrique (100) comportant au moins les étapes de : - réalisation de premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104,106) s'étendant dans des plans distincts, dans laquelle au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104) comporte au moins : • une première portion électriquement conductrice (112) ; • au moins deux deuxièmes portions électriquement conductrices (114, 116, 124) comportant des premières extrémités (115, 117, 123) reliées électriquement à la première portion électriquement conductrice (112) et s'étendant depuis la première portion électriquement conductrice (112) dans des directions différentes (Dl, D2, D3) ; • une troisième portion électriquement conductrice (118) à laquelle des deuxièmes extrémités (119,121,125) des deuxièmes portions électriquement conductrices (114,116,124) sont reliées électriquement ; et telles que les première, deuxièmes et troisième portions électriquement conductrices (112, 114, 116, 118, 124) formant, dans le plan dans lequel s'étend ledit au moins l'un des premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104), au moins une boucle fermée ; - réalisation d'au moins un élément d'interconnexion (102) en contact avec la première portion électriquement conductrice (112) et formant au moins une liaison électrique entre les premier et deuxième niveaux électriquement conducteurs (104,106).
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| FR3050570A1 true FR3050570A1 (fr) | 2017-10-27 |
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Citations (5)
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2016
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