WO2009115686A2 - Composant de connexion muni d'inserts creux et son procede de realisation - Google Patents

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Damien Saint-Patrice
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Definitions

  • the technical field to which the invention relates is that of microelectronics, and more specifically that of the manufacture, on wafers of semiconductor components, hollow-shaped metal patterns, preferably bevelled, facilitating for example the vertical connection (better known under the Anglo-Saxon expression "flip-chip”) of two components.
  • the present invention can be applied to all kinds of devices requiring interconnections of metallic patterns with a very small pitch, especially for the manufacture of very large imagers with very small steps.
  • thermocompression consists of pressing, in temperature, two balls one on the other so as to bind them by plastic deformation (Fig IA).
  • the second technique developed for the finest interconnection steps, makes it possible to work at a temperature lower than the temperatures used in the first technique: it is a question of replacing one of the thermocompressed balls with a protuberance "Hard” which breaks the native oxide of the weld at low temperature by reducing the bearing section ( Figure IB), and thus allowing:. to reduce the assembly temperature and the assembly pressure; . to control the crash.
  • the first problem is related to thermocompression forces.
  • the section of the insert in the plane (X, Y) is desired as low as possible so as to limit the insertion force.
  • the insertion force to exert on the part to be assembled is proportional to the number N of connections to be made, as well as to the surface of their section ⁇ S, according to the following formula:
  • this technique is limited for components with a very large number of connections, knowing for example that a force of 4 tons should be considered for the hybridization of a matrix of 4 million pixels (1 g / bump) .
  • the forces involved are no longer compatible with the required assembly accuracies. Indeed, the maximum lateral displacement required after hybridization must be less than 1 micrometer.
  • the second important technical problem raised by the insertion thermocompression technique is related to the embodiment of the inserts.
  • the Applicant proposes a particular technical solution which consists in reducing the insertion section in the welding boxes, without however reducing the contact area insert / weld.
  • a component advantageously a chip, comprising a set of conductive inserts intended to be electrically connected with another component, said inserts being hollow.
  • the present invention thus relates to a method of producing a connection component comprising hollow conductive inserts intended to be electrically connected with another component.
  • this method comprises the steps of: depositing a resin layer on the surface of the component; producing, in the layer, openings adapted to the shape of the inserts; depositing the constituent material (s) of the inserts along the surface of the layer; - removal of the material or materials on the upper plane of the layer; removal of the layer.
  • the first step is therefore the deposition of a so-called martyr layer, advantageously a resin, whose transitional role is to serve as a matrix for the formation of the inserts and which is removed at the end of the process, advantageously by delamination.
  • a so-called martyr layer advantageously a resin, whose transitional role is to serve as a matrix for the formation of the inserts and which is removed at the end of the process, advantageously by delamination.
  • the openings made in the layer are by photolithography.
  • the deposition of the constituent material (s) of the inserts following the surface of the layer is carried out using thin film deposition techniques, whereas their subsequent elimination, on the upper plane of the layer, is made by engraving.
  • An advantageous solution proposed in the context of the present invention is to provide a hollow insert whose upper portion or free end is cut at an angle, thus forming a bevel.
  • the height H varies at the different points of the circumference of the insert.
  • the component is inclined in a definite orientation, either during the deposition of the constituent material (s) of the inserts, or during their elimination.
  • the inner and outer surfaces of the insert are covered with a metal layer protecting against oxidation, advantageously gold.
  • connection component provided with hollow conductive inserts, capable of being connected to a second component. Because of this method, said inserts have the particularity of being closed at their base by means of a base resting on the surface of the component, said base having the same composition as the body of the insert.
  • the hollow inserts according to the invention have an annular section (in particular round or oval) or parallelepipedal (in particular square or rectangle).
  • this section has a thickness e, called skin thickness.
  • the photo lithography defines a limited opening of a resin that will define the section of the future insert.
  • D is the resolution limit of photolithography technology
  • the contact surface must be maintained or even increased.
  • the weld / insert contact surface is de facto multiplied by about two, since both the external and internal surfaces of the hollow insert are in electrical contact. On the other hand and for a solid insert, only the external surface ensures this contact.
  • the protuberance defined in the context of the invention is in the form of a tube or quadrilateral closed at the base by a base resting on the component, preferably a chip.
  • the hollow insert according to the invention is made of metal to ensure its electrical conduction function. It is advantageously a material of hardness greater than that of the material into which it will be inserted. For example, it may be copper (Cu), titanium (Ti), tungsten (W), WSi, chromium (Cr) or a multilayer of these materials. In this case and advantageously, one of the layers serves as diffusion barrier layer of the material in which it is inserted: for example Ni, Pd, Pt, WN, TiN
  • the inner and outer surfaces of the insert are covered with a metal layer protecting the oxidation, preferably gold.
  • such a hollow insert has, as an additional feature, a beveled upper end.
  • the tapered portion therefore corresponds to that engaged in the hybridization with the second component, via its insertion in a connection pad.
  • a first solution to overcome this drawback is to carry out hybridization under vacuum.
  • a second advantageous solution is to provide a hollow insert whose upper part or free end is cut at an angle, thus forming a bevel.
  • the height H varies at the different points of the circumference of the insert.
  • the insert is inserted into another insert of the same type as that previously described, and deposited on the other component with which the connection is sought.
  • a particular hybridization method is implemented: in a pre-insertion step, the hollow and beveled inserts carried by the first component are introduced partially into the connection pads of the second component to be hybridized. This step is performed using a standard placement machine, not including vacuum equipment. It is advantageously carried out at room temperature; the collective final insertion is carried out under vacuum in a simple pressing equipment, devoid of alignment functions.
  • the invention therefore also relates to a method of hybridization between a component according to the invention and a second component provided with connection pads, which comprises the following steps: alignment and partial insertion of the inserts in the pads, preferably made at room temperature; final insertion, advantageously carried out under vacuum.
  • This two-step process avoids the use of complex and expensive machinery and technology.
  • Figure 1 illustrates the different substrate / chip connection systems according to the prior art.
  • Figure 2 shows schematically a sectional view of a hollow insert according to the invention resting, via a base, on the component.
  • FIG. 3 schematizes the hybridization of two components via the insertion of a hollow protuberance according to the invention in the corresponding ductile caisson and illustrates the increase of the contact surface.
  • FIG. 4 schematizes the various steps of manufacturing a component according to the invention.
  • Figure 5 illustrates the two additional steps implemented when the filling technique - planarization (better known by the English expression "gap fill") is implemented.
  • Figure 6 shows a schematic sectional view of a hollow and beveled insert according to the invention.
  • Figure 7 schematically a first method of manufacturing components with beveled hollow inserts according to the invention.
  • Figure 8 schematically a second method of manufacturing components with beveled hollow inserts according to the invention.
  • Figure 9 details the hybridization process in the case of a component with hollow and beveled inserts.
  • a component having inserts having the configuration described in the context of the present invention can be obtained using the method illustrated in Figure 4. It is typically a CMOS wafer ("Complementary Metal-Oxide Semiconductor"). ), from a silicon foundry.
  • CMOS wafer Complementary Metal-Oxide Semiconductor
  • the first step is to deposit a so-called "martyr” layer, of thickness Q ⁇ and made using a resin. This layer is then subjected to standard photolithography. This step makes it possible to create openings of the desired diameter for the tubes which will serve as inserts. More generally, it is during this step that the future shape of the insert is fixed (height, shape of the opening ).
  • the second step corresponds to the deposition of the metal, possibly a multilayer of metal, corresponding to the tube. It is the thickness of this deposit which will dictate the thickness e of the hollow insert.
  • the metal is advantageously copper, titanium, tungsten, WSi, chromium or a multilayer of these materials.
  • Opening diameters are controllable at values below 1 micrometer and heights greater than 3 microns.
  • the thicknesses of the metals are adjustable and controlled down to values of less than 0.1 micrometers. It is possible to modify or simply supplement the usual metal deposit with a complementary layer of a wettable metal, advantageously gold, platinum or copper. This has the advantage of facilitating the subsequent welding and the creation of the necessary intermetallic interfaces during the final weld.
  • the hollow insert takes a final "tube" shape, corresponding to a circular opening.
  • any other form can be realized by a suitable design of the opening mask: square triangle, polygon, ...
  • the hollow form may have a section of variable size, and for example in the form of a cone or truncated cone. To do this, it suffices to play on the anisotropy of the etching of the martyred resin.
  • the third step is to remove the metal layer on the upper plane of the martyr resin. Two techniques for engraving the upper metal face can be used:
  • This step can be performed in the same way as the damascene etchings used in the semiconductor industry.
  • Mechanical or mechanochemical polishing of the upper face of the substrate is carried out, the metal layer and a part of the surface martyr layer are removed, the portion of the tube located in the opening being etched only on a small portion of its height. .
  • the plate resulting from the previous step is covered with a fluid resin which comes to planarize the entire surface and fill the openings, as shown in Figure 5 A.
  • This configuration is that present at the output of a conventional masking: it is possible to perform a standard etching of the "flush" metal, the metal at the bottom of the opening being always protected by the filler resin.
  • the last step is the removal of the martyr layer. This is a perfectly known stage of delamination.
  • the insertion force per insert is thus divided by 5, in comparison with a conventional insert of the "full cylinder" type. In other words, it is possible to multiply by 5 the number of connections, by force of thermocompression equal.
  • Figure 3 illustrates, in addition, the increase in contact area that occurs both via the external surfaces of the insert, but also via its internal surfaces.
  • the hollow insert is bevelled in its upper part, as illustrated in FIG.
  • the first and second steps take place as described above (Fig. 7A and 7B).
  • the process is modified during the step of removing the metal layer, layer located on the upper plane and on the blank.
  • This step is performed by etching "ionic machining” (or RIE directive) or any other “directional” etching.
  • the plate support is inclined at a controlled angle with respect to the engraving angle.
  • the metal located on the surface and the metal located in the hole, but not obscured by its flank, are etched.
  • the metal of the hole "in the shade" of the engraving cone is preserved. For example, in the case of ion machining, he does not see the ionic etching beam.
  • the plate support is inclined at a controlled angle with respect to the emission angle of the metal source (FIG 8B).
  • the deposit is made by spraying or evaporation. In fact, the part of the hole "in the shade" of the deposit cone does not see a deposit.
  • the angle plate / direction of the deposit defines the bevel.
  • the removal of the metal layer located on the upper plane is carried out by photolithography, damascene CMP process, or "gap fill" method as described above.
  • This operation can be carried out at ambient temperature and under standard atmosphere.
  • the chips to be assembled are made integral with the motherboard (substrate) by C2W / "chip to wafer” assembly (multihybridization of several chips on the same plate).
  • the insertion force is calculated so that the tubes only partially fit in order to leave a passage for a subsequent degassing. 2 / Final vacuum insertion, with high force (Fig. 9B)
  • the plate on which pre-inserted circuits are placed is then subjected to a large insertion force, under vacuum, in order to allow the complete introduction of the hollow beveled inserts into the corresponding connection pads.
  • the proposed solution makes it possible to multiply the number of hybrid points, with constant insertion force, while at the same time improving the pixel access resistance (by a factor of 2 for the same photolithographic resolution limit).
  • the beveled inserts eliminate any risk of formation of air bubbles at the connection during hybridization.
  • This form of insert can also be used for the component to be connected. Indeed, there are three types of connection: "the insert is inserted into a buried zone of the other component;
  • the insert is inserted into a hollow protuberance of similar shape to his. It is then sufficient for the respective diameters to be adapted: the inside diameter of the protuberance is greater than the outside diameter of the insert, or vice versa, but the respective diameters are, however, close enough to ensure contact, especially following the introduction into force of the insert in the protuberance.
  • cone / cone, cone / inverted cone, cone / tube cone shapes will be preferred.
  • the assembly can thus be reversible (connection / disconnection).
  • the present invention has numerous applications, in particular: for heterogeneous detection matrices, of large size, with a large number of insertion connections (IRCMOS, cooled CMT, X-detectors, etc.); for temperature sensitive matrices hybridized to "cold"; - for matrices sensitive to mechanical stresses.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un composant de connexion (2) qui comporte un ensemble d'inserts conducteurs (1) destinés à être connectés électriquement avec un autre composant, lesdits inserts (1) étant creux.

Description

COMPOSANT DE CONNEXION MUNI D'INSERTS CREUX ET SON PROCÈDE DE RÉALISATION DOMAINE DE L'INVENTION
Le domaine technique auquel se rapporte l'invention est celui de la microélectronique, et plus spécifiquement celui de la fabrication, sur tranches de composants semi-conducteurs, de motifs métalliques de forme creuse, avantageusement biseautés, facilitant par exemple la connexion verticale (mieux connue sous l'expression anglo-saxonne «flip-chip ») de deux composants.
La présente invention peut être appliquée à toutes sortes de dispositifs requérant des interconnexions de motifs métalliques à très petit pas, notamment pour la fabrication d'imageurs de très grande dimension à très petits pas.
ETATANTERIEURDE LATECHNIQUE
Actuellement, on connaît principalement deux possibilités pour assembler, selon la technique «fiip chip par thermocompression», deux composantes nécessitant un grand nombre de liaisons électriques verticales à très petit pas :
- la première technique de thermocompression consiste à presser, en température, deux billes l'une sur l'autre de manière à les lier par déformation plastique (Fig. IA).
- la seconde technique, développée pour les pas d'interconnexion les plus fins, permet de travailler à une température plus basse que les températures mises en œuvre dans la première technique : il s'agit de remplacer l'une des billes thermocompressées par une protubérance « dure » qui casse l'oxyde natif de la soudure à basse température en réduisant la section d'appui (Figure IB), et permettant ainsi : . de réduire la température d'assemblage et la pression d'assemblage ; . de contrôler l'écrasement.
Cette seconde technique a fait l'objet de la demande de brevet WO2006/054005 et des inserts adaptés sont décrits dans le document US 6,179,198 (Fig. IB). La présente invention s'inscrit dans le cadre de cette deuxième technique, appelée thermocompression par insertion, et tend à résoudre les limitations qui y sont liées, essentiellement au nombre de deux.
Le premier problème est lié aux forces de thermocompression.
En effet, la section de l'insert dans le plan (X, Y) est souhaitée la plus faible possible de manière à limiter la force d'insertion.
Si le nombre de colonnes à insérer augmente, la force d'insertion à exercer sur la pièce à assembler est proportionnelle au nombre N de connexions à réaliser, ainsi qu'à la surface de leur section ÏS, selon la formule suivante :
Fhyb= k*S*N
De ce fait, cette technique est limitée pour les composants à très grand nombre de connexions, sachant par exemple qu'une force de 4 tonnes devrait être envisagée pour l'hybridation d'une matrice de 4 millions de pixels (1 g/bump).
Le problème lié à ces forces peut être exacerbé en raison de la sensibilité des composants assemblés.
Ainsi, certains matériaux à assembler sont très sensibles aux contraintes locales, ce qui entraîne la création de dislocations destructrices lors de l'hybridation par thermocompression.
Alternativement, les forces mises en jeu ne sont plus compatibles avec les précisions d'assemblage requises. En effet, le déplacement maximal latéral requis après hybridation doit être inférieur à 1 micromètre.
Le deuxième problème technique important soulevé par la technique de thermocompression par insertion est lié au mode de réalisation des inserts.
En effet, la réalisation de protubérances dans une fonderie semiconducteur peut devenir un problème pour des pas très réduits. Si l'on réduit la section des inserts, les techniques classiques de réalisation peuvent s'avérer difficiles à mettre en œuvre, de par la finesse des inserts souhaités. Cette limitation est donc liée à la notion de finesse minimale de photolithogravure. Ainsi, il n'est pas possible de réduire la section d'un insert classique plein, pour une résolution photolithographique technologique donnée D, en deçà de la valeur π*D2/4.
EXPOSE DE L'INVENTION
Ayant analysé l'ensemble de ces contraintes spécifiques, le Demandeur propose une solution technique particulière qui consiste à réduire la section d'insertion dans les caissons de soudure, sans toutefois réduire la surface de contact insert/soudure.
En pratique, il s'agit donc d'obtenir un composant, avantageusement une puce, comportant un ensemble d'inserts conducteurs destinés à être connectés électriquement avec un autre composant, lesdits inserts étant creux.
Le fait de remplacer les inserts pleins, décrits dans l'art antérieur, par des inserts creux selon l'invention permet en effet de réduire la section d'insertion.
Selon un premier aspect, la présente invention concerne donc un procédé de réalisation d'un composant de connexion comportant des inserts conducteurs creux destinés à être connectés électriquement avec un autre composant. De manière caractéristique, ce procédé comprend les étapes suivantes : dépôt d'une couche de résine à la surface du composant ; réalisation, dans la couche, d'ouvertures adaptées à la forme des inserts ; dépôt du ou des matériaux constitutifs des inserts suivant la surface de la couche ; - élimination du ou des matériaux sur le plan supérieur de la couche ; retrait de la couche.
La première étape est donc le dépôt d'une couche dite martyr, avantageusement en résine, qui a pour rôle transitoire de servir de matrice pour la formation des inserts et qui est retirée à l'issue du procédé, avantageusement par délaquage.
De manière avantageuse et dans une seconde étape, les ouvertures réalisées dans la couche le sont par photolithographie. Selon un mode de réalisation privilégié, le dépôt du ou des matériaux constitutif des inserts suivant la surface de la couche est réalisé à l'aide de techniques de dépôt de couche mince, alors que leur élimination ultérieure, sur le plan supérieur de la couche, est réalisée par gravure.
Une solution avantageuse, proposée dans le cadre de la présente invention, est de réaliser un insert creux dont la partie supérieure ou extrémité libre est taillée en biais, formant ainsi un biseau. En d'autres termes, la hauteur H varie aux différents points de la circonférence de l' insert. En pratique et au niveau du procédé faisant l'objet de la présente demande, le composant est incliné selon une orientation définie, soit lors du dépôt du ou des matériaux constitutifs des inserts, soit lors de leur élimination.
De manière privilégiée et dans une étape ultérieure, les surfaces interne et externe de l'insert sont recouvertes d'une couche de métal protégeant de l'oxydation, avantageusement de l'or.
A l'issue d'un tel procédé de fabrication relativement simple de mise en œuvre, on obtient donc un composant de connexion doté d'inserts conducteurs creux, susceptibles d'être connectés à un second composant. En raison de ce procédé, lesdits inserts présentent la particularité d'être fermés à leur base à l'aide d'un socle reposant à la surface du composant, ledit socle présentant la même composition que le corps de l'insert.
De manière avantageuse, les inserts creux selon l'invention présentent une section annulaire (notamment ronde ou ovale) ou parallélépipédique (en particulier carré ou rectangle).
Avantageusement, cette section présente une épaisseur e, dite épaisseur de peau.
Cette nouvelle forme d'inserts permet de fabriquer ces peaux en mettant en œuvre des techniques de dépôt de couche mince dérivées des techniques utilisées dans le domaine de la microélectronique et non plus, comme dans l'art antérieur, la technique de la photolithographie, dont les inconvénients ont été mentionnés ci-dessus.
Pour illustrer plus avant ce propos, la photo lithographie définit une ouverture limitée d'une résine qui va définir la section du futur insert. Ainsi et à titre d'exemple, si D est la limite de résolution de la technologie de photolithogravure, on peut : - définir un trou qu'on peut remplir par le matériau de l'insert par croissance électrolytique ou par dépôt « lift off», l'insert résultant ayant un diamètre égal au diamètre minimum du trou ouvert (minimum D) ;
- déposer une couche du matériau de l'insert et la graver, cette technique étant également limitée par la limite de résolution minimale D.
Il apparaît clairement que la section « efficace » d'un insert suivant l'art antérieur est égale à la surface maximum insérée dans le caisson, soit par exemple en cas d' insert en forme de cylindre de diamètre D : S = π . D2 /4 avec D : la limite de résolution photolithographique.
Dans le cadre de l'invention, pour une section d'insert équivalente, à savoir un diamètre externe D, et pour la même résolution photolithographique, la surface d'insertion est définie par la formule suivante : S' = π . (D2- D02)/4 = π*2*e*2*D/4 soit
S' = π*e*D dans laquelle e définit l'épaisseur de la peau de l'insert et est très inférieure à D.
Le rapport des surfaces S et S', et donc des forces d'insertion F et F', est au final :
FVF = kS'N/kSN=S'/S soit FVF= 4*e/D (e«D)
Par ailleurs et comme déjà précisée, la surface de contact doit être maintenue, voire augmentée.
Or, selon la configuration de l'invention, la surface de contact soudure/insert est de facto multipliée par environ deux, puisque aussi bien les surfaces externes qu'internes de l'insert creux sont en contact électrique. En revanche et pour un insert plein, seule la surface externe assure ce contact.
Plus précisément et de manière avantageuse, la protubérance définie dans le cadre de l'invention se présente sous la forme d'un tube ou d'un quadrilatère fermé à la base par un socle reposant sur le composant, avantageusement une puce. L'insert creux selon l'invention est réalisé à base de métal pour assurer sa fonction de conduction électrique. Il s'agit avantageusement d'un matériau de dureté supérieure à celle du matériau dans lequel il sera inséré. Par exemple, il peut s'agir de cuivre (Cu), de titane (Ti), de tungstène (W), de WSi, de chrome (Cr) ou d'un multicouche de ces matériaux. Dans ce cas et de manière avantageuse, l'une des couches fait office de couche barrière de diffusion du matériau dans lequel il est inséré : par exemple Ni, Pd, Pt, WN, TiN
De manière privilégiée et comme déjà dit, les surfaces interne et externe de l'insert sont recouvertes d'une couche de métal protégeant de l'oxydation, avantageusement de l'or.
Selon un mode de réalisation avantageux, un tel insert creux présente, comme caractéristique additionnelle, une extrémité supérieure biseautée.
On entend ici par extrémité supérieure, la partie située à l'opposé de l'extrémité formée par le socle et servant de base d'appui sur le composant. La partie biseautée correspond donc à celle qui est engagée dans l'hybridation avec le second composant, via son insertion dans un plot de connexion.
En effet, il a été constaté, dans le cadre de la présente invention, que l'introduction des protubérances creuses dans les plots pouvait entraîner l'emprisonnement de poches d'air au fond de l'insert.
Une première solution pour remédier à cet inconvénient est de réaliser l'hybridation sous vide.
Une seconde solution avantageuse, proposée dans le cadre de la présente invention, est de réaliser un insert creux dont la partie supérieure ou extrémité libre est taillée en biais, formant ainsi un biseau. En d'autres termes, la hauteur H varie aux différents points de la circonférence de 1 ' insert.
Selon une variante de l'invention, l'insert est inséré dans un autre insert du même type que celui précédemment décrit, et déposé sur l'autre composant avec lequel la connexion est recherchée. Avec un tel dispositif, un procédé d'hybridation particulier est mis en œuvre : dans une étape de pré-insertion, les inserts creux et biseautés portés par le premier composant sont introduits partiellement dans les plots de connexion du second composant à hybrider. Cette étape est réalisée à l'aide d'une machine de placement standard, ne comportant pas d'appareillage à vide. Elle se déroule avantageusement à température ambiante ; l'insertion finale collective est réalisée sous vide dans un simple équipement de pressage, dépourvu de fonctions d'alignement.
Plus généralement et selon un autre aspect, l'invention concerne donc également un procédé d'hybridation entre un composant selon l'invention et un second composant doté de plots de connexion, qui comprend les étapes suivantes : alignement et insertion partielle des inserts dans les plots, avantageusement réalisés à température ambiante ; - insertion finale, avantageusement réalisée sous vide.
Ce procédé en deux temps permet d'éviter la mise en œuvre de machines et de technologie complexes et coûteuses.
Par ailleurs et comme déjà mentionné, les forces d'insertion mises enjeu sont notablement réduites en raison de l'aspect creux des inserts.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif, à l'appui des figures annexées parmi lesquelles :
La figure 1 illustre les différents systèmes de connexion substrat/puce selon l'art antérieur.
La figure 2 schématise une vue en section d'un insert creux selon l'invention reposant, via un socle, sur le composant.
La figure 3 schématise l'hybridation de deux composants via l'insertion d'une protubérance creuse selon l'invention dans le caisson ductile correspondant et illustre l'augmentation de la surface de contact.
La figure 4 schématise les différentes étapes de fabrication d'un composant selon l'invention. La figure 5 illustre les deux étapes supplémentaires mises en œuvre lorsque la technique de remplissage - planarisation (mieux connue sous l'expression anglo-saxonne «gap fill ») est mise en œuvre.
La figure 6 schématise une vue en section d'un insert creux et biseauté selon l'invention. La figure 7 schématise un premier mode de fabrication de composants dotés d'inserts creux biseautés selon l'invention.
La figure 8 schématise un second mode de fabrication de composants dotés d'inserts creux biseautés selon l'invention.
La figure 9 détaille le procédé d'hybridation dans le cas d'un composant doté d'inserts creux et biseautés.
MODES DE RÉALISATION DE L'INVENTION
Un composant doté d'inserts présentant la configuration décrite dans le cadre de la présente invention peut être obtenu à l'aide du procédé illustré à la figure 4. Il s'agit typiquement d'un wafer CMOS (« Complementary Metal-Oxide Semiconductor »), issu d'une fonderie silicium.
La première étape (Fig. 4A) consiste à déposer une couche dite «martyr», d'épaisseur Q\ et réalisée à l'aide d'une résine. Cette couche est ensuite soumise à une photolithographie standard. Cette étape permet de créer des ouvertures du diamètre souhaité pour les tubes qui serviront d'inserts. Plus généralement, c'est lors de cette étape que la future forme de l'insert est fixée (hauteur, forme de l'ouverture...).
La seconde étape (Fig. 4B) correspond au dépôt du métal, éventuellement une multicouche de métal, correspondant au tube. C'est l'épaisseur de ce dépôt qui dictera l'épaisseur e de l'insert creux. Le métal est avantageusement du cuivre, du titane, du tungstène, du WSi, du chrome ou un multicouche de ces matériaux.
Les diamètres d'ouverture sont maîtrisables à des valeurs inférieures à 1 micromètre et les hauteurs supérieures à 3 micromètres.
Les épaisseurs des métaux sont réglables et contrôlées jusqu'à des valeurs inférieures à 0,1 micromètres. II est possible de modifier, ou simplement compléter le dépôt métal habituel par une couche complémentaire d'un métal mouillable, avantageusement de l'or, du platine ou du cuivre. Ceci a pour avantage de faciliter la soudure ultérieure et la création des interfaces intermétalliques nécessaires lors de la soudure finale.
Dans un mode de réalisation privilégiée, l'insert creux prend une forme finale de « tube », correspondant à une ouverture circulaire. Toutefois, toute autre forme peut être réalisée par une conception adaptée du masque d'ouverture : triangle carré, polygone, ...
Avantageusement, la forme en creux peut présenter une section de taille variable, et par exemple en forme de cône ou de tronc de cône. Il suffit pour ce faire de jouer sur l'anisotropie de la gravure de la résine martyre.
Il est également possible de combiner des formes différentes sur une même plaque de fabrication et/ou sur une même puce à hybrider.
La troisième étape (Fig. 4C) consiste à retirer la couche métal située sur le plan supérieur de la résine martyre. Deux techniques de gravure de la face métal supérieure peuvent être utilisées :
1/ Technique de « gravure damascène »
Cette étape peut être réalisée de la même manière que les gravures damascène utilisées dans l'industrie du semiconducteur. On réalise un polissage mécanique ou mécanochimique de la face supérieure du substrat, la couche métal et une partie de la couche martyre de surface sont retirées, la partie du tube située dans l'ouverture n'étant gravée que sur une portion faible de sa hauteur.
2/ Technique « gapfill » (Figure 5)
La plaque issue de l'étape précédente est couverte d'une résine fluide qui vient planariser l'ensemble de la surface et combler les ouvertures, comme illustré à la figure 5 A.
La résine est ensuite gravée uniformément sur la plaque (pleine) jusqu'à atteindre la surface de métal supérieure (Fig. 5B). Une détection de fin d'attaque peut aisément être réalisée par analyse optique, analyse de gaz résiduel, .... La figure 5B montre que les trous restent remplis de résine en final, du fait de leur forte profondeur et du bon contrôle de l'épaisseur de résine gravée pleine plaque.
Cette configuration est celle présente en sortie d'un masquage classique : on peut réaliser une gravure standard du métal «affleurant», le métal en fond d'ouverture étant toujours protégé par la résine de remplissage.
Un délaquage final de la résine encore présente au fond des ouvertures est ensuite effectué.
La dernière étape (Fig. 4D) correspond au retrait de la couche martyre. Il s'agit d'une étape parfaitement connue de délaquage.
A l'issue de ce procédé, il est possible de compléter la finition interne et externe des inserts par un dépôt de type «electroless», qui permet de garantir une non-oxydation postérieure de la surface du métal de l' insert. De l'or est préférentiellement utilisé dans cette étape. A noter que l'or dit «electroless» croît sur les zones métalliques exposées des inserts par le phénomène de dépôt « chimique » connu de l'homme du métier.
Ainsi et à titre d'exemple, sachant que la limite de résolution photolithographique d'une fabrique de semiconducteur est de 3 micromètres, pour une épaisseur de résine de 4 micromètres, il est possible de réaliser des tubes présentant les dimensions suivantes : hauteur (H) = 3 μm ; diamètre (D) = 3 μm ; - pas = 5 μm ; épaisseur de la peau (e = épaisseur métal couche mince déposée) = 150nm (Ti+TiN+Au).
Un composant doté d'un tel insert est représenté à la figure 2.
II est possible de calculer le gain en force d'insertion par rapport à un insert cylindrique de même diamètre :
FVF = 4*e/D = 4*0,15/3 = 0,2. La force d'insertion par insert est donc divisée par 5, en comparaison avec un insert classique de type «cylindre plein ». En d'autres termes, il est possible de multiplier par 5 le nombre de connexions, à force de thermocompression égale.
La figure 3 illustre, en outre, l'augmentation de surface de contact qui a lieu à la fois via les surfaces externes de l'insert, mais également via ses surfaces internes.
Selon un second mode de réalisation, l'insert creux est biseauté dans sa partie supérieure, comme illustré à la figure 6.
Deux procédés, dérivés de celui décrit ci-dessus, permettent d'obtenir un tel biseau.
1/ Fabrication du biseau par gravure
Les première et seconde étapes se déroulent comme décrit plus haut (Fig. 7A et 7B).
En revanche, le procédé est modifié lors l'étape de retrait de la couche métal, couche située sur le plan supérieur et sur le flan. Cette étape est réalisée par gravure « usinage ionique » (ou gravure RIE directive) ou toute autre gravure « directionnelle ».
En pratique, le support plaque est incliné d'un angle contrôlé par rapport à l'angle de gravure.
Ainsi et comme illustré à la Fig. 7C, le métal situé en surface et le métal situé dans le trou, mais non occulté par son flanc, sont gravés.
Le métal du trou situé « à l'ombre » du cône de gravure est conservé. Par exemple, en cas d'usinage ionique, il ne voit pas le faisceau ionique de gravure.
C'est l'angle plaque / direction de gravure qui définit le biseau.
Le retrait de la couche martyre se fait alors de manière classique pour donner la configuration illustrée à la Figure 7D. 2/ Fabrication du biseau par dépôt
La première étape reste inchangée (Fig. 8A).
En revanche, lors du dépôt du métal (ou du multicouche métal), le support plaque est incliné d'un angle contrôlé par rapport à l'angle d'émission de la source métallique (Fig. 8B). Le dépôt est réalisé par pulvérisation ou évaporation. De fait, la partie du trou située « à l'ombre » du cône de dépôt ne voit pas de dépôt.
L'angle plaque / direction du dépôt définit le biseau.
Dans l'étape suivante (Fig. 8C), le retrait de la couche métal située sur le plan supérieur est réalisé par photolithographie, par procédé CMP damascène, ou procédé « gap fill » comme décrit ci-dessus.
Enfin, dans une ultime étape (Fig. 8D), on réalise le retrait de la couche martyre.
Cette configuration particulière des inserts permet de procéder à l'hybridation des deux composants à connecter électriquement et mécaniquement, en évitant toute formation de bulles d'air.
Un tel procédé se décompose en deux étapes:
1/ Prépositionnement précis, rapide, à faible force (Fig. 9A)
Dans un premier temps, il s'agit de positionner toutes les puces à assembler, par préinsertion à faible force des tubes biseautés, dans les plots de soudure présents sur une face du second composant, à savoir le substrat.
Cette opération peut être réalisée à température ambiante et sous atmosphère standard.
Les puces à assembler sont rendues solidaires de la plaque mère (substrat) par assemblage C2W / « chip to wafer » (multihybridation de plusieurs puces sur une même plaque). La force d'insertion est calculée pour que les tubes ne s'insèrent que partiellement en vue de laisser un passage pour un dégazage ultérieur. 2/ Insertion finale sous vide, à grande force (Fig. 9B)
La plaque sur laquelle sont disposés des circuits préinsérés est ensuite sousmise à une grande force d'insertion, sous vide, afin de permettre l'introduction complète des inserts biseautés creux dans les plots de connexion correspondants.
Les avantages de la présente invention ressortent clairement de la présente demande.
Elle permet de réaliser des hybridations par insertion avec de très faibles forces d'insertion et une surface de contact signifïcativement augmentée (doublée) par rapport à un insert classique.
Ceci permet de réaliser des inserts de très grand rapport de forme inscrits dans des pas d'interconnexion très fins, tout en utilisant des technologies parfaitement maîtrisées dans l'industrie du semi conducteur.
Ainsi, la solution proposée permet de multiplier le nombre de points hybrides, à force d'insertion constante, tout en améliorant en parallèle la résistance d'accès pixel (d'un facteur 2 pour la même limite de résolution photolithographique). En outre, les inserts biseautés écartent tout risque de formation de bulles d'air au niveau de la connexion lors de l'hybridation.
Cette forme d' insert peut également être utilisée pour le composant à connecter. En effet, il existe trois types de connexion : " l'insert est inséré dans une zone enterrée de l'autre composant ;
• l'insert est inséré dans une protubérance à la surface de l'autre composant ;
• l'insert est inséré dans une protubérance creuse de forme similaire à la sienne. Il suffit alors que les diamètres respectifs soient adaptés : le diamètre intérieur de la protubérance est supérieur au diamètre extérieur de l'insert, ou réciproquement, mais les diamètres respectifs étant cependant suffisamment proches pour assurer le contact, notamment en suite de l'introduction en force de l'insert dans la protubérance.
Afin d'éviter le risque de destruction des inserts en raison de ce mode d'introduction, il est avantageux d'appliquer les principes d'assemblages mécaniques standards. De fait, on préférera des formes complémentaires de type cône/cône, cône/cône inversé, cône/tube. L'assemblage peut ainsi être réversible (connexion/déconnexion). résente invention trouve de nombreuses applications, notamment : pour les matrices de détection hétérogènes, de grande taille, à grand nombre de connexions par insertion (IRCMOS, CMT refroidis, détecteurs X, etc..) ; pour les matrices sensibles à la température hybridées à « froid » ; - pour les matrices sensibles aux contraintes mécaniques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d'un composant de connexion (2) comportant des inserts conducteurs creux (1) destinés à être connectés électriquement avec un autre composant, comprenant les étapes suivantes : dépôt d'une couche de résine à la surface du composant (2) ; réalisation, dans ladite couche, d'ouvertures adaptées à la forme des inserts (1) ; dépôt du ou des matériaux constitutifs des inserts (1) suivant la surface de la couche ; - élimination du ou des matériaux sur le plan supérieur de la couche ; retrait de la couche.
2. Procédé de réalisation d'un composant de connexion selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures dans la couche de résine sont réalisées par photolithographie.
3. Procédé de réalisation d'un composant de connexion selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dépôt du ou des matériaux constitutifs des inserts (1) suivant la surface de la couche est réalisé à l'aide de techniques de dépôt de couche mince.
4. Procédé de réalisation d'un composant de connexion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élimination du ou des matériaux sur le plan supérieur de la couche est réalisée par gravure.
5. Procédé de réalisation d'un composant de connexion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le retrait de la couche est réalisée par délaquage.
6. Procédé de réalisation d'un composant de connexion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant (2) est incliné selon une orientation définie, lors du dépôt du ou des matériaux constitutifs des inserts (1) ou lors de son élimination, de sorte à réaliser des inserts présentant une extrémité libre biseautée.
7. Procédé de réalisation d'un composant de connexion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans une étape ultérieure, une couche d'un matériau non oxydable, avantageusement de l'or, est déposée à la surface des inserts
(I)-
8. Composant de connexion (2) doté d'inserts conducteurs creux (1), susceptibles d'être obtenu à l'aide du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l' insert (1) est fermé à sa base à l'aide d'un socle reposant à la surface du composant (2), ledit socle présentant la même composition que le corps de l' insert.
9. Composant de connexion (2) selon la revendication 8, caractérisé en ce que l' insert (1) présente une section annulaire, notamment ronde ou ovale, ou parallélépipédique, en particulier carré ou rectangle.
10. Composant de connexion selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que l' insert (1) présente un diamètre D et une épaisseur e, e étant très inférieure à D.
11. Composant de connexion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les matériaux constitutifs de l'insert (1) sont choisis dans le groupe constitué de : Cu, Ti, W, WSi, Cr, Ni, Pd, Pt, WN, TiN.
12. Procédé d'hybridation entre un composant selon l'une des revendications 8 à 11 et un second composant doté de plots de connexion, comprenant les étapes suivantes : alignement et insertion partielle des inserts (1) dans les plots, avantageusement réalisés à température ambiante ; insertion finale, avantageusement réalisée sous vide.
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