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FR2990297A1 - Empilement de structures semi-conductrices et procede de fabrication correspondant - Google Patents

Empilement de structures semi-conductrices et procede de fabrication correspondant Download PDF

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FR2990297A1
FR2990297A1 FR1254157A FR1254157A FR2990297A1 FR 2990297 A1 FR2990297 A1 FR 2990297A1 FR 1254157 A FR1254157 A FR 1254157A FR 1254157 A FR1254157 A FR 1254157A FR 2990297 A1 FR2990297 A1 FR 2990297A1
Authority
FR
France
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pillar
housing
face
conductive
last
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
FR1254157A
Other languages
English (en)
Inventor
Laurent-Luc Chapelon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Original Assignee
STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by STMicroelectronics Crolles 2 SAS filed Critical STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Priority to FR1254157A priority Critical patent/FR2990297A1/fr
Priority to US13/869,072 priority patent/US8907481B2/en
Publication of FR2990297A1 publication Critical patent/FR2990297A1/fr
Priority to US14/519,832 priority patent/US9093456B2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
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    • H01L2224/16135—Disposition the bump connector connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/16145—Disposition the bump connector connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being stacked
    • H01L2224/16146—Disposition the bump connector connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being stacked the bump connector connecting to a via connection in the semiconductor or solid-state body
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    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
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    • H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/16237—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the bump connector connecting to a bonding area disposed in a recess of the surface of the item
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    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/17—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of a plurality of bump connectors
    • H01L2224/171—Disposition
    • H01L2224/1718—Disposition being disposed on at least two different sides of the body, e.g. dual array
    • H01L2224/17181—On opposite sides of the body
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    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73201—Location after the connecting process on the same surface
    • H01L2224/73203—Bump and layer connectors
    • H01L2224/73204—Bump and layer connectors the bump connector being embedded into the layer connector
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/80001—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected by connecting a bonding area directly to another bonding area, i.e. connectorless bonding, e.g. bumpless bonding
    • H01L2224/8012—Aligning
    • H01L2224/80136—Aligning involving guiding structures, e.g. spacers or supporting members
    • H01L2224/80138—Aligning involving guiding structures, e.g. spacers or supporting members the guiding structures being at least partially left in the finished device
    • H01L2224/80141—Guiding structures both on and outside the body
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    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/80001—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected by connecting a bonding area directly to another bonding area, i.e. connectorless bonding, e.g. bumpless bonding
    • H01L2224/8034—Bonding interfaces of the bonding area
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    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/80001—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected by connecting a bonding area directly to another bonding area, i.e. connectorless bonding, e.g. bumpless bonding
    • H01L2224/8034—Bonding interfaces of the bonding area
    • H01L2224/80357—Bonding interfaces of the bonding area being flush with the surface
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/80001—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected by connecting a bonding area directly to another bonding area, i.e. connectorless bonding, e.g. bumpless bonding
    • H01L2224/808—Bonding techniques
    • H01L2224/80894—Direct bonding, i.e. joining surfaces by means of intermolecular attracting interactions at their interfaces, e.g. covalent bonds, van der Waals forces
    • H01L2224/80895—Direct bonding, i.e. joining surfaces by means of intermolecular attracting interactions at their interfaces, e.g. covalent bonds, van der Waals forces between electrically conductive surfaces, e.g. copper-copper direct bonding, surface activated bonding
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/80001—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected by connecting a bonding area directly to another bonding area, i.e. connectorless bonding, e.g. bumpless bonding
    • H01L2224/808—Bonding techniques
    • H01L2224/80894—Direct bonding, i.e. joining surfaces by means of intermolecular attracting interactions at their interfaces, e.g. covalent bonds, van der Waals forces
    • H01L2224/80896—Direct bonding, i.e. joining surfaces by means of intermolecular attracting interactions at their interfaces, e.g. covalent bonds, van der Waals forces between electrically insulating surfaces, e.g. oxide or nitride layers
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/81—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
    • H01L2224/8112—Aligning
    • H01L2224/81136—Aligning involving guiding structures, e.g. spacers or supporting members
    • H01L2224/81138—Aligning involving guiding structures, e.g. spacers or supporting members the guiding structures being at least partially left in the finished device
    • H01L2224/81141—Guiding structures both on and outside the body
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    • H01L2224/81—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
    • H01L2224/818—Bonding techniques
    • H01L2224/81801—Soldering or alloying
    • H01L2224/81815—Reflow soldering
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Abstract

Structure formée d'un empilement d'au moins une première structure semiconductrice sur une deuxième structure semi-conductrice, les première et deuxième structures comprenant chacune : - un substrat semi-conducteur (10, 20) recouvert d'une couche isolante (11, 21) comprenant des niveaux métalliques d'interconnexions (13, 23); et - une première face (210) comprenant au moins une zone conductrice (130) formant le dernier niveau métallique d'interconnexion desdits niveaux, lesdites premières faces (210) des première et deuxième structures étant en regard l'une de l'autre, et le dernier niveau métallique de la première structure étant connecté électriquement au dernier niveau métallique de la deuxième structure, ladite structure comprenant en outre : - un premier pilier d'interconnexion (6) connecté à ladite zone conductrice (130) de la première structure, et formant saillie par rapport à la première face de la première structure ; - un logement (29) traversant toute l'épaisseur de la deuxième structure, et contenant tout ou partie du premier pilier (6) ; et - un deuxième pilier d'interconnexion (7) formant saillie par rapport à une deuxième face de la deuxième structure, ladite deuxième face étant opposée à la première face (210), ce deuxième pilier (7) étant en contact électrique avec ledit premier pilier (6).

Description

-1- EMPILEMENT DE STRUCTURES SEMI-CONDUCTRICES ET PROCEDE DE FABRICATION CORRESPONDANT Domaine technique L'invention se rattache au domaine de la microélectronique et plus particulièrement au domaine de l'interconnexion électrique « verticale » dans un empilement de structures semi-conductrices, telles que puces électroniques (ou « die » en anglais) et plaques semi-conductrices (ou « wafer » en anglais).
Arrière plan de l'invention L'intégration tridimensionnelle (ou 3D) consiste à empiler des composants électroniques, en superposant des puces et/ou des wafers les uns sur les autres et en établissant des connexions électriques verticales entre ces composants par l'utilisation de piliers d'interconnexion et/ou de vias traversants les différentes couches des puces ou wafer. Comme illustré sur les figures 1 et 2, les puces électroniques sont généralement fabriquées en série sur des plaques semi-conductrices (ou wafer) à base de silicium ou analogue, qui sont ensuite découpées. Plus précisément, des zones fonctionnelles 15, 25 nécessaires à la réalisation des fonctions dédiées des puces 1, 2, sont gravées dans un substrat semi-conducteur 10, 20 (ou « bulk » en anglais) de la plaque. Ces zones fonctionnelles 15, 25 sont par ailleurs connectées à différents niveaux métalliques d'interconnexion 13, 23 réalisés à l'intérieur d'une couche isolante 11, 21 typiquement à base d'oxyde ou analogue, formée sur la face supérieure du wafer. Ces différents niveaux métalliques d'interconnexion 13, 23 permettent notamment de reporter les connexions électriques des zones fonctionnelles 15, 25 sur la face supérieure 110, 210 (ou face avant) de la couche isolante 11, 21 en prévision de connexion avec d'autres puces. La plaque peut ensuite être découpée pour séparer les différentes puces ainsi obtenues. -2- Selon une pratique illustrée sur les figures 3 à 5, l'empilement de puces peut être de type face-à-face (ou « face-to-face » en anglais), c'est-à-dire que les faces avant 110, 210 de deux puces 1, 2 sont mises en regard l'une de l'autre. Dans ce cas particulier, pour assurer la connexion électrique verticale entre une première et une deuxième puces 1, 2, il est courant de prévoir pour chacune des puces 1, 2, des piliers d'interconnexion 14, 24. Chaque pilier 14, 24 s'étend à partir d'une zone conductrice 130, 230 (ou « pad » en anglais) de la face avant 110, 210 de la puce 1, 2 et est en saillie par rapport à la face avant 110, 210 de cette puce 1, 2.
Ces zones conductrices 130, 230, typiquement à base de cuivre, d'aluminium ou analogue, forment généralement ce qu'on appelle le dernier niveau métallique d'interconnexion des niveaux métalliques 13, 23 de la couche d'oxyde de la puce 1, 2. Ces zones conductrices 130, 230 servent notamment de plage d'accueil pour la croissance des piliers d'interconnexion 14, 24. En outre, chaque pilier 14, 24 peut être surmonté d'un dôme 140 à base d'un alliage étain argent (Sn/Ag) destiné à faciliter la soudure avec un autre pilier d'interconnexion ou à une autre zone de connexion. Pour connecter verticalement les deux puces 1, 2, il convient donc de mettre en contact l'extrémité libre d'un des piliers d'interconnexion 14 de la première puce 1 avec l'extrémité libre d'un des piliers d'interconnexion 24 de la deuxième puce 2, et d'effectuer un recuit pour faire fondre le dôme 140 et fusionner les deux piliers 14, 24. L'espace laissé entre les faces avant 110, 210 des deux puces 1, 2 peut ensuite être comblé par dépôt d'une résine polymère 3 de type époxy ou analogue, communément nommée « underfill » en anglais Enfin, une résine d'encapsulation 4 est déposée pour recouvrir complètement l'une des puces, et notamment la première puce 1. Par ailleurs, comme illustré sur les figures 2 à 4, il est également possible de 30 prévoir des trous métallisés d'interconnexion 26 dans la deuxième puce 2. Ces trous métallisés d'interconnexion 26, également appelés « vias » ou TSV (acronyme anglo-saxon pour « Through Silicon Via »), sont reliés électriquement à -3- des niveaux métalliques d'interconnexion 23 de la deuxième puce 2 et débouchent sur la face inférieure 211 (ou face arrière) de cette deuxième puce 2. Une couche de redistribution 27 métallique (ou RDL acronyme anglo-saxon 5 pour « ReDistribution Layer ») est généralement déposée sur la face arrière 211 de la deuxième puce 2 sous forme de pistes métalliques. Cette couche de redistribution 27 est en contact avec les vias 26, et sert de support pour la croissance de plots conducteurs 28 en saillie par rapport à la face arrière 211 de cette deuxième puce 2. Ces plots 28 permettent notamment une connexion 10 électrique avec un support présentant par exemple des pas de connexion (ou pitch) différents, ou tout simplement d'avoir des électrodes directement accessibles. Exposé de l'invention 15 La solution d'interconnexion verticale présentée ci-dessus, bien que convenable, présente l'inconvénient de nécessiter un alignement précis des piliers d'interconnexion des deux puces entre eux, pour obtenir une connexion électrique verticale correcte. 20 Le processus de fabrication peut en outre être très long et couteux puisqu'il nécessite de réaliser plusieurs opérations pour faire croitre les différents piliers d'interconnexion sur les faces avant et arrière des puces. En outre, ces opérations doivent être réalisées dans différents environnements contrôlés. 25 Par ailleurs, dans certaines conditions de fonctionnement, le couplage entre les vias et la couche de redistribution peut influencer électriquement sur les caractéristiques des composants. Il existe donc un besoin pour une solution d'interconnexion électrique 30 verticale moins complexe, moins couteuse et plus robuste. -4- Dans ce contexte, une nouvelle structure d'empilement de structures semiconductrices et un procédé de fabrication correspondant est présenté ci-après. Il est ainsi proposé, selon un aspect, une structure formée d'un empilement 5 d'au moins une première structure semi-conductrice sur une deuxième structure semi-conductrice, les première et deuxième structures comprenant chacune : - un substrat semi-conducteur recouvert d'une couche isolante comprenant des niveaux métalliques d'interconnexions ; et - une première face comprenant au moins une zone conductrice formant 10 le dernier niveau métallique d'interconnexion desdits niveaux, lesdites premières faces des première et deuxième structures étant en regard l'une de l'autre, et le dernier niveau métallique de la première structure étant connecté électriquement au dernier niveau métallique de la deuxième structure, 15 ladite structure comprenant en outre : - un premier pilier d'interconnexion connecté à ladite zone conductrice de la première structure, et formant saillie par rapport à la première face de la première structure ; - un logement traversant toute l'épaisseur de la deuxième structure, et 20 contenant tout ou partie du premier pilier ; et - un deuxième pilier d'interconnexion formant saillie par rapport à une deuxième face de la deuxième structure, ladite deuxième face étant opposée à la première face, ce deuxième pilier étant en contact électrique avec ledit premier pilier. 25 Avantageusement, la première structure peut être une puce électronique. Avantageusement, la deuxième structure peut être une puce électronique ou une plaque semi-conductrice. 30 De préférence, le deuxième pilier est à l'aplomb du premier pilier d'interconnexion, les premier et deuxième piliers formant un pilier global. -5- Selon un mode de réalisation : - les premières faces des première et deuxième structures sont de préférence en contact direct et forme une unique couche isolante commune ; et - le premier pilier s'étend de préférence à partir d'une des zones conductrices de ladite unique couche isolante, et est entièrement positionné dans le logement. Selon ce mode de réalisation : - le dernier niveau métallique d'interconnexion de la première structure et le 10 dernier niveau métallique d'interconnexion de la deuxième structure peuvent comprendre une pluralité de zones conductrices ; - l'une au moins desdites zones conductrices de la première structure peut être surmontée dudit premier pilier d'interconnexion ; et - chacune desdites zones conductrices de la première structure dépourvue dudit 15 premier pilier, est de préférence en contact direct avec une des zones conductrices de la deuxième structure. Par exemple, le rapport entre le volume du logement et celui du premier pilier est supérieur à 4. 20 Selon un autre mode de réalisation : - ladite zone conductrice de la deuxième structure délimite de préférence l'ouverture du logement vers la première face de la deuxième structure ; - le logement peut comprendre : 25 - une couche isolante conforme aux parois internes du logement, - une couche barrière conductrice recouvrant ladite couche isolante et ladite zone conductrice délimitant l'ouverture du logement, et - un volume d'un matériau de soudure conductrice ; - une fraction du premier pilier est de préférence positionnée dans le logement, 30 ledit volume de matériau de soudure comblant le volume inoccupé par ledit premier pilier dans le logement ; -6- - l'ensemble formé par le premier pilier, le matériau de soudure et la couche barrière tapissant les parois du logement assurant de préférence le contact électrique entre les derniers niveaux métalliques des première et deuxième structures.
Selon cet autre mode de réalisation : - le rapport entre le volume du logement et celui du premier pilier est de préférence supérieur à 2; et - au moins deux tiers de la hauteur du premier pilier est de préférence positionné 10 dans le logement. Avantageusement, la structure comprend en outre une résine d'enrobage comblant l'espace entre les premières faces des première et deuxième structures. 15 Selon un autre aspect, il est également proposé un procédé de fabrication d'un empilement d'au moins une première structure semi-conductrice sur une deuxième structure semi-conductrice, les première et deuxième structures comprenant chacune : - un substrat semi-conducteur recouvert d'une couche isolante comprenant 20 des niveaux métalliques d'interconnexions ; et - une première face comprenant au moins une zone conductrice formant le dernier niveau métallique d'interconnexion desdits niveaux, lesdites premières faces des première et deuxième structures étant en regard l'une de l'autre, et le dernier niveau métallique de la première structure étant connecté 25 électriquement au dernier niveau métallique de la deuxième structure ; le procédé de fabrication comprenant - - la réalisation d'au moins un premier pilier d'interconnexion s'étendant à partir de la zone conductrice de la première structure, et formant saillie par rapport à la première face de la première structure ; 30 - la réalisation d'au moins un logement ouvert sur la première face de la deuxième structure, traversant toute l'épaisseur de la deuxième couche isolante et une partie de l'épaisseur du deuxième substrat ; et -7- - le positionnement de tout ou partie du premier pilier dans ledit logement par la mise en regard de la première face de la première structure avec la première face de la deuxième structure, et la connexion électrique du dernier niveau métallique de la première structure avec celui de la deuxième structure. Avantageusement, le procédé peut en outre comprendre : - l'ouverture du logement vers la deuxième face de la deuxième structure, ladite deuxième face étant opposée à la première face de la deuxième structure ; - le dépôt d'une couche de passivation sur la deuxième face de la deuxième structure ; - l'élimination de la portion de couche de passivation en regard du premier pilier d'interconnexion ; - le dépôt d'une couche amorce conductrice sur la couche de passivation, la couche 15 amorce étant connectée électriquement avec le premier pilier d'interconnexion ; - la réalisation d'au moins un deuxième pilier d'interconnexion s'étendant d'une zone de la couche amorce, et formant saillie par rapport à la deuxième face de la deuxième structure ; et - élimination partielle de la couche amorce, les premier et deuxième piliers restant 20 connectés électriquement entre eux par l'intermédiaire de la couche amorce restante. De préférence, le deuxième pilier est à l'aplomb du premier pilier d'interconnexion, les premier et deuxième piliers formant un pilier global. 25 Selon un mode de réalisation : - le dernier niveau métallique d'interconnexion de la première structure peut comprendre une pluralité de zones conductrices, l'une au moins desdites zones conductrices de la première structure étant surmontée dudit premier pilier 30 d'interconnexion ; - le dernier niveau métallique d'interconnexion de la deuxième structure peut comprendre une pluralité de zones conductrices ; -8- - l'étape de positionnement du premier pilier et de connexion des derniers niveaux métalliques peut comprendre : - le positionnement du premier pilier dans sa totalité dans le logement; et - le collage direct sous atmosphère contrôlé de chacune des zones conductrices de la première structure dépourvue de premier pilier avec une des zones conductrices de la deuxième structure. Par exemple, le rapport entre le volume du logement et celui du premier pilier est supérieur à 4.
Selon un autre mode de réalisation : - le dernier niveau métallique d'interconnexion de la première structure peut comprendre une pluralité de zones conductrices, l'une au moins desdites zones conductrices de la première structure étant surmontée dudit premier pilier ; - le dernier niveau métallique d'interconnexion de la deuxième structure peut comprendre une pluralité de zones conductrices, l'une au moins desdites zones conductrices de la plaque délimitant l'ouverture du logement vers la première face de la deuxième structure ; - le procédé comprenant en outre : - le dépôt d'une couche isolante conforme aux parois internes du logement ; - le dépôt d'une couche barrière conductrice sur ladite couche isolante et sur la zone conductrice délimitant l'ouverture du logement ; et - le remplissage partiel du logement avec un volume d'un matériau de soudure.
De préférence, l'étape de positionnement du premier pilier et de connexion des derniers niveaux métalliques comprend : - le positionnement d'une fraction du premier pilier dans le logement ; et - la solidification de la pâte de soudure, ledit matériau de soudure comblant tout le volume inoccupé par ledit premier pilier dans le logement ; -9- l'ensemble formé par le premier pilier, le matériau de soudure et la couche barrière assurant de préférence le contact électrique entre les derniers niveaux métalliques des première et deuxième structure.
De préférence, - le rapport entre le volume du logement et celui du premier pilier est supérieur à 2, et - au moins deux tiers de la hauteur du premier pilier est positionné dans le logement.
Avantageusement, le procédé comprend en outre le dépôt d'une résine d'enrobage apte à combler l'espace entre les premières faces des première et deuxième structures.
Description sommaire des figures Certaines caractéristiques de l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées données à titre d'exemple non limitatif, et dans 20 lesquelles : La figure 1, décrite précédemment, est une vue en coupe partielle d'une première puce incluant un pilier d'interconnexion selon un mode de réalisation de l'art antérieur ; La figure 2, décrite précédemment, est une vue en coupe partielle d'une 25 deuxième puce incluant un pilier d'interconnexion destinée à être soudé avec le pilier d'interconnexion de la première puce de la figure 1 selon un mode de réalisation de l'art antérieur ; Les figures 3 et 4, décrites précédemment, sont des vues en coupe de la structure d'empilement obtenu après soudure des piliers d'interconnexion des 30 première et deuxième puces des figures 1 et 2, selon un mode de réalisation de l'art antérieur ; et -10- Les figures 5 à 12 sont des vues en coupe partielle illustrant les différentes étapes permettant de réaliser la structure d'empilement de deux structures semiconductrices, selon un mode de réalisation ; et Les figures 13 à 19 sont des vues en coupe partielle illustrant les différentes 5 étapes permettant de réaliser la structure d'empilement de deux structures semiconductrices, selon un autre mode de réalisation. Par souci de clarté, de mêmes éléments sont désignés par les mêmes références dans les différentes figures, et les diverses figures ne sont pas tracées à 10 l'échelle. Description détaillée La structure d'empilement selon différents modes de réalisation est présentée 15 sur les figures 12 et 19, et est formée d'un empilement d'au moins une première structure semi-conductrice sur une deuxième structure semi-conductrice. Chacune des première et deuxième structures peut être une plaque semiconductrice (ou wafer) ou une puce électronique (ou die), et 20 comprend notamment : - un substrat semi-conducteur recouvert d'une couche isolante comprenant des niveaux métalliques d'interconnexions ; et - une première face comprenant au moins une zone conductrice formant le dernier niveau métallique d'interconnexion de ces niveaux métalliques. Les premières 25 faces des première et deuxième structures sont en regard l'une de l'autre, et le dernier niveau métallique de la première structure est relié électriquement au dernier niveau métallique de la deuxième structure. La structure d'empilement comprend en outre : 30 - un premier pilier d'interconnexion connecté à la zone conductrice de la première structure, ce premier pilier étant en saillie par rapport à la première face de la première structure ; - - un logement traversant toute l'épaisseur de la deuxième structure, et contenant tout ou partie du premier pilier ; et - un deuxième pilier d'interconnexion formant saillie par rapport à une deuxième face de la deuxième structure, ladite deuxième face étant opposée à la première 5 face, ce deuxième pilier étant en contact électrique avec ledit premier pilier. Une telle structure d'empilement peut être obtenue par un procédé de fabrication qui comprend notamment : - la réalisation d'au moins un premier pilier d'interconnexion s'étendant de la 10 zone conductrice de la première structure, et formant saillie par rapport à la première face de la première structure ; - la réalisation d'au moins un logement ouvert sur la première face de la deuxième structure, traversant toute l'épaisseur de la deuxième couche isolante et une partie de l'épaisseur du deuxième substrat ; et 15 - le positionnement de tout ou partie du premier pilier dans le logement par la mise en regard de la première face de la première structure avec celle de la plaque, et la connexion électrique du dernier niveau métallique de la première structure avec celui de la plaque. 20 Les étapes de ce procédé de fabrication selon un mode de réalisation sont illustrées aux figures 5 à 12, et décrites ci-après. Des portions d'une première structure semi-conductrice 1 et d'une deuxième structure semi-conductrice 2 sont notamment représentées sur la figure 5. Ces deux 25 structures sont destinées à être superposées l'une sur l'autre selon un empilement de type face-à-face (ou face-to-face) avec mise en contact direct. Chacune des première et deuxième structures 1, 2 peut être une plaque semi-conductrice (ou wafer) ou une puce électronique (ou die). 30 La première structure semi-conductrice 1 comprend notamment : - un premier substrat semi-conducteur 10 qui peut comprendre une ou plusieurs zones fonctionnelles 15 ou circuits intégrés ; 2 9 902 9 7 12- - une première couche isolante 11, par exemple à base d'oxyde ou analogue, recouvrant le premier substrat 10 et comprenant notamment des niveaux métalliques d'interconnexion 13 ; - une première face 110, formant la face avant de cette première structure semi5 conductrice 1, comprenant une pluralité de zones conductrices 130 du dernier niveau métallique d'interconnexion de cette première structure 1; et - une deuxième face 111, ou face arrière, opposée à la première face 110. La deuxième structure semi-conductrice 2 comprend notamment : 10 - un deuxième substrat semi-conducteur 20 qui peut également comprendre une ou plusieurs zones fonctionnelles 25 ou circuits intégrés ; - une deuxième couche isolante 21, par exemple à base d'oxyde ou analogue, recouvrant le deuxième substrat 20 et comprenant notamment des niveaux métalliques d'interconnexion 23 ; 15 - une première face 210, formant la face avant de cette deuxième structure semiconductrice 2, comprenant également une pluralité de zones conductrices 230 du dernier niveau métallique d'interconnexion de cette deuxième structure 2 ; et - une deuxième face 211, ou face arrière, opposée à la première face 210. 20 Pour chacune de ces première et deuxième structures 1, 2, les niveaux métalliques d'interconnexion 13, 23 sont superposés dans la couche isolante correspondante 11, 21, et le dernier niveau métallique d'interconnexion est le niveau le plus éloigné du substrat correspondant 10, 20. En outre, chaque niveau métallique d'interconnexion peut être formé d'un ou de plusieurs éléments 25 conducteurs parallèles ou sensiblement parallèles à la face avant du substrat, et d'un ou de plusieurs éléments conducteurs verticaux perpendiculaires ou sensiblement perpendiculaires à la face avant du substrat. Les éléments conducteurs de ces niveaux métalliques peuvent être à base de cuivre, d'aluminium ou analogue, et peuvent présenter différentes dimensions. 30 Pour connecter électriquement tout ou partie des niveaux métalliques 13 de la première structure 1 avec tout ou partie des niveaux métalliques 23 de la deuxième -13- structure 2, un ou plusieurs logements 29 sont tout d'abord réalisés dans l'épaisseur de la deuxième structure 2 (un seul logement a été représenté sur les figures par souci de clarté). A ce stade, le logement 29 est ouvert sur la première face 210 (ou face avant) de la deuxième structure 2. En outre, ce logement 29 s'étend à travers toute l'épaisseur de la deuxième couche isolante 21 et à travers une fraction de l'épaisseur du deuxième substrat 20. En pratique, le logement 29 est de préférence réalisé par un procédé de gravure profonde et est sensiblement cylindrique. La profondeur P de ce logement 29 est de préférence inférieure à 150lum, par exemple sensiblement égale 100lum. Son diamètre D est de préférence inférieur à 140lum, par exemple sensiblement égal à 90lum. Dans tous les cas, la taille de l'ouverture du logement 29 est de préférence telle qu'une des zones conductrices 130 de la première structure 1 puisse être contenue à l'intérieure de cette ouverture.
En outre, en pratique, préalablement à la gravure du logement, il est possible de prévoir une étape de polissage (par exemple un polissage mécano-chimique) de la première face de la deuxième structure pour aplanir et optimiser la surface de contact.
Par ailleurs, un ou plusieurs premiers piliers d'interconnexion 6 sont réalisés sur la première structure semi-conductrice 1 (un seul premier pilier d'interconnexion a été représenté sur les figures par souci de clarté). Chaque premier pilier 6 s'étend d'une des zones conductrices 130 de la première structure 1, et est en saillie par rapport à la première face 110 de cette première structure 1. Ce premier pilier 6 est en matériau conducteur, par exemple à base de cuivre ou analogue. En pratique, il est également possible de prévoir une étape de polissage de la 30 première face 110 de la première structure 1 pour aplanir et optimiser la surface de contact. - Une couche barrière conductrice et une couche amorce conductrice (représentées par la référence 131 sur les figures) peuvent alors être déposées sur cette première face 110. Ce dépôt est de préférence un dépôt dit « pleine plaque », et peut être un dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD pour « Chemical Vapour 5 Deposition ») ou un dépôt physique en phase vapeur (ou PVD pour « Physical Vapour Deposition »). Les couches barrière et amorce 131 recouvrent ainsi la ou les zones conductrices 130 du dernier niveau métallique de la première structure 1 et sont donc électriquement reliées aux niveaux métalliques d'interconnexion 13 de cette première structure 1. La couche barrière est notamment à base d'un 10 matériau conducteur apte à empêcher la diffusion de particule de cuivre dans le substrat. Cette couche barrière peut par exemple être à base de tantale, de nitrure de tantale, de titane ou de nitrure de titane. La couche amorce quant à elle, facilite la croissance du pilier et peut être à base de cuivre. 15 Un masque de résine photosensible (non représentée sur les figures) peut ensuite être déposé sur ces couches barrière et amorce. Ce masque de résine est notamment ouvert à l'aplomb du ou des zones conductrices qui sont destinées à recevoir le ou les futurs premiers piliers d'interconnexion. 20 Du cuivre est ensuite déposé par voie électrolytique pour former le ou les premiers piliers d'interconnexions 29. Chaque pilier d'interconnexion 29 s'étend ainsi à partir d'une des zones conductrices 130 de la première structure 1, et est en saillie par rapport à la première face 110 de cette première structure 1. De préférence, ce premier pilier d'interconnexion 6 est sensiblement cylindrique et 25 présente une hauteur inférieure à 130pm, par exemple sensiblement égale à 80pm, et un diamètre inférieur à 100pm, par exemple sensiblement égal à 50pm. La couche résine ainsi que les couches barrière et amorce 131 dépourvues de premier pilier d'interconnexion 6 peuvent alors être éliminées. 30 Une fois les logements 29 et les premiers piliers d'interconnexion 6 réalisés, la première face 110 (ou face avant) de la première structure 1 est mise en contact 2 9 902 9 7 15- avec la première face (ou face avant) 210 de la deuxième structure 2, notamment par collage direct, obturant ainsi l'ouverture du ou des logements 29 (figure 6). Plus précisément, chacun des premiers piliers d'interconnexion est disposé à l'intérieur d'un des logements 29, et les zones conductrices 130 du dernier niveau 5 métallique de la première structure 1 sont mises en contact direct avec les zones conductrices 230 du dernier niveau métallique de la deuxième structure 2. Ce collage direct peut être réalisé à l'aide d'un recuit à une température de 400°C par exemple, qui permet d'obtenir une adhésion forte des zones conductrices 130, 230 entre elles. De ce fait, les première et deuxième couches isolantes 11, 21 ne 10 forment plus qu'une seule et unique couche isolante interposée entre les premier et deuxième substrats 10, 20. Comme on peut le voir sur les figures 6 à 12, les dimensions du logement 29 sont telles qu'il existe un volume libre 290, ou espacement, entre le premier pilier 15 d'interconnexion 6 et les parois internes du logement 29. Ce volume libre est de préférence du vide. Dans le cas où la première structure 1 est une puce électronique, il est possible de prévoir le dépôt d'une couche de résine d'encapsulation 4 sur cette 20 puce électronique. Cette résine d'encapsulation 4 peut notamment être à base d'époxy ou analogue. Dans une étape ultérieure, pour pouvoir opérer sur la deuxième face 211 (ou face arrière) de la deuxième structure 2, un organe support 5 peut être solidarisé 25 temporairement à la face arrière 111 de la première structure 1. Cet organe support 5, communément appelé « poignée » ou « carrier », peut être un substrat 50 en matériau adapté pour jouer le rôle de support mécanique, par exemple à base de silicium, verre, ou analogue. Par ailleurs, cet organe support 5 est temporairement solidarisé à la face arrière 111 de la première structure 1 par l'intermédiaire d'une 30 couche de matériau adhésif 51, par exemple en polyimide. Le substrat 50 de l'organe support 5 peut présenter une épaisseur supérieure à 725ùm, par exemple -16- sensiblement égale à 775lum. En outre, la couche de matériau adhésif 51 peut présenter une épaisseur inférieure à 100lum par exemple sensiblement égale 20lum. De même, préalablement à l'adhésion de l'organe support 5, il est possible de 5 prévoir une étape de polissage de la face arrière 111 de la première structure 1, afin d'amincir l'épaisseur de la première structure 1 et d'aplanir la surface destinée à recevoir l'organe support 5. Une fois l'organe support 5 collé à la face arrière 111 de la première structure 10 1, on réalise l'ouverture de chaque logement 29 vers la deuxième face (ou face arrière) 211 de la deuxième structure 2 (figure 7). Pour ce faire, selon un mode de réalisation, le procédé suivant peut être mis en oeuvre : - d'abord un meulage (ou « grinding » en anglais), par exemple en commençant avec un grain fort puis en enchainant avec un grain fin pour amincir la face arrière 15 211 de la deuxième structure 2 ; - puis un polissage de type mécano-chimique (ou CMP acronyme anglo-saxon pour « Chemical Mechanical Polishing ») qui permet d'éliminer l'éventuelle couche écrouie due au meulage ; en pratique, à ce stade, le CMP est réalisé de manière à laisser une fine couche de deuxième substrat à l'aplomb du pilier, par 20 exemple l'épaisseur de cette fine couche peut être sensiblement égale à 101um. - puis une gravure sèche vient graver sélectivement le matériau du deuxième substrat et ouvrir le logement 29 vers la face arrière 211 de la deuxième structure 2 ; de préférence, à ce stade, l'extrémité libre du premier pilier 6 est sensiblement sur le même plan que la face arrière 211 de la deuxième structure 2. 25 Le premier pilier d'interconnexion 6 étant ainsi rendu apparent, on réalise un deuxième pilier d'interconnexion 7 en saillie par rapport à la face arrière 211 de cette deuxième structure 2. Chaque deuxième pilier 7 est en outre relié électriquement à un des premiers piliers d'interconnexions 6 (figures 8 à 12). 30 Pour ce faire, selon un mode de réalisation, on prévoit le dépôt (figure 8) d'une troisième couche isolante 200, typiquement un polymère photosensible 2 9 902 9 7 -17- (exemple le SINR-3170 de l'équipementier Shin Etsu), sur la face arrière 211 de la deuxième structure 2. Ce dépôt est de préférence un dépôt pleine plaque, c'est-à-dire qu'elle recouvre notamment la face arrière 211 de la deuxième structure 2 ainsi que l'extrémité libre du premier pilier d'interconnexion 6. Avantageusement, cette troisième couche isolante 200 permet de boucher le logement 29 et donc d'isoler le premier pilier 6. De préférence, cette opération est réalisée sous vide, de sorte que le volume libre 290 contenu dans le logement après le dépôt de la troisième couche isolante 200 soit du vide. Cette troisième couche isolante 200 peut avantageusement être déposée par enduction centrifuge (ou spin coating). On réalise ensuite des ouvertures (figure 9) dans cette troisième couche isolante 200, et notamment à l'aplomb de chaque premier pilier 6 de manière à dégager et à rendre apparente l'extrémité libre de chaque premier pilier d'interconnexion 6. Une autre couche amorce conductrice 201 est ensuite déposée (figure 10) de façon à recouvrir la troisième couche isolante 200 et l'exterminé libre de chaque premier pilier d'interconnexion 6. Le ou les deuxièmes piliers d'interconnexion 7 peuvent alors être formés (figure 11) sur cette couche amorce 201, par exemple par dépôt de cuivre par voie électrolytique. Ce dépôt de cuivre peut ensuite se poursuivre par le dépôt d'un matériau conducteur, typiquement en alliage à base d'étain/argent, sous forme d'un dôme 70 suite à un recuit.
Enfin, comme illustré sur la figure 12, les portions de couche amorce qui ne sont pas recouvertes par un pilier sont éliminées. De même, l'organe support est désolidarisé de la structure ainsi obtenue, par exemple par chauffage de la couche adhésive.
La structure d'empilement ainsi obtenue comprend donc : - une couche isolante interposée entre les premier et deuxième substrats, cette couche isolante comprenant des niveaux métalliques d'interconnexion reliant électriquement les premier et deuxième substrats entre eux ; - un ou des piliers d'interconnexions s'étendant à partir d'une zone conductrice d'un des niveaux métalliques d'interconnexion, traversant toute l'épaisseur du deuxième substrat 2, et formant saillie par rapport à la face arrière 2 9 902 9 7 18- de ce deuxième substrat. En particulier, chaque pilier résulte de la connexion d'un premier pilier avec un deuxième pilier, la mise en contact de ces deux piliers ne formant alors plus qu'un pilier de connexion global. Par ailleurs, la portion du pilier située à l'intérieur du deuxième substrat est isolée de ce dernier par un vide. 5 Les étapes du procédé de fabrication selon un autre mode de réalisation sont illustrées aux figures 13 à 19, et décrites ci-après. Pour cet autre mode de réalisation, des portions d'une première structure 10 semi-conductrice 1 et d'une deuxième structure semi-conductrice 2 sont notamment représentées sur la figure 13. Ces deux structures sont destinées à être superposées l'une sur l'autre selon un empilement de type face-à-face (ou face-toface) sans collage directe entre elles. De même, chacune des première et deuxième structures 1, 2 peut être une plaque semi-conductrice (ou wafer) ou une puce 15 électronique (ou die). La première structure semi-conductrice 1 comprend notamment : - un premier substrat semi-conducteur 10 qui peut comprendre une ou plusieurs zones fonctionnelles 15 ou circuits intégrés ; 20 - une première couche isolante 11, par exemple à base d'oxyde ou analogue, recouvrant le premier substrat 10 et comprenant notamment des niveaux métalliques d'interconnexion 13 ; - une première face 110, formant la face avant de cette première structure semiconductrice 1, comprenant une pluralité de zones conductrices 130 du dernier 25 niveau métallique d'interconnexion de cette première structure 1; et - une deuxième face 111, ou face arrière, opposée à la première face 110. En outre, dans cet autre mode de réalisation, la première face (ou face avant) de la première structure 1 peut être recouverte d'une première couche de 30 passivation 12. La deuxième structure semi-conductrice 2 comprend notamment : - - un deuxième substrat semi-conducteur 20 qui peut également comprendre une ou plusieurs zones fonctionnelles 25 ou circuits intégrés ; - une deuxième couche isolante 21, par exemple à base d'oxyde ou analogue, recouvrant le deuxième substrat 20 et comprenant notamment des niveaux 5 métalliques d'interconnexion 23 ; - une première face 210, formant la face avant de cette deuxième structure semiconductrice 2, comprenant également une pluralité de zones conductrices 230 du dernier niveau métallique d'interconnexion de cette deuxième structure 2 ; et - une deuxième face 211, ou face arrière, opposée à la première face 210. 10 De même, dans cet autre mode de réalisation, la première face (ou face avant) 210 de la deuxième structure 2 peut être recouverte d'une deuxième couche de passivation 22. 15 Comme pour le mode de réalisation présenté ci-avant, on rappelle que pour chacune de ces première et deuxième structures 1, 2, les niveaux métalliques d'interconnexion 13, 23 sont superposés dans la couche isolante correspondante 11, 21, et le dernier niveau métallique d'interconnexion est le niveau le plus éloigné du substrat correspondant 1, 2. En outre, chaque niveau métallique 13, 23 20 d'interconnexion peut être formé d'un ou de plusieurs éléments conducteurs parallèles ou sensiblement parallèles à la face avant du substrat, et d'un ou de plusieurs éléments conducteurs verticaux perpendiculaires ou sensiblement perpendiculaires à la face avant du substrat. Les éléments conducteurs de ces niveaux métalliques peuvent être à base de cuivre, d'aluminium ou analogue, et 25 peuvent présenter différentes dimensions. Dans cet autre mode de réalisation, un ou plusieurs premiers piliers d'interconnexion 6 sont également réalisés sur la première structure semiconductrice 1 (un seul premier pilier d'interconnexion a été représenté sur les 30 figures par souci de clarté). Chaque premier pilier 6 s'étend d'une des zones conductrices 130 de la première structure 1, et est en saillie par rapport à la -20- première face 110 de cette première structure 1. Ce premier pilier 6 est en matériau conducteur, par exemple à base de cuivre ou analogue. En pratique, la première couche de passivation présente des portions ouvertes à l'aplomb du ou des zones conductrices qui sont destinées à recevoir le ou les futurs premiers piliers d'interconnexion. Une couche barrière conductrice et une couche amorce conductrice (représentées par la référence 131 sur les figures) peuvent alors être déposées sur cette première face 110. Ce dépôt est de préférence un dépôt pleine plaque, et peut être un dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD pour « Chemical Vapour Deposition ») ou un dépôt physique en phase vapeur (ou PVD pour « Physisal Vapour Deposition). Les couches barrière et amorce recouvrent ainsi tout ou partie des zones conductrices 130 du dernier niveau métallique de la première structure 1 et sont donc électriquement reliées aux niveaux métalliques d'interconnexion 13 de cette première structure 1. La couche barrière est notamment à base d'un matériau conducteur apte à empêcher la diffusion de particule de cuivre dans le substrat. Cette couche barrière peut par exemple être à base de tantale, de nitrure de tantale, de titane ou de nitrure de titane. La couche amorce quant à elle, facilite la croissance du pilier et peut être à base de cuivre. Un masque de résine photosensible (non représentée sur les figures) peut ensuite être déposé sur ces couches barrière et amorce. Ce masque de résine est notamment ouvert à l'aplomb du ou des zones conductrices qui sont destinées à recevoir le ou les futurs premiers piliers d'interconnexion. Du cuivre est ensuite déposé par voie électrolytique pour former le ou les premiers piliers d'interconnexion 6. Chaque premier pilier d'interconnexion 6 s'étend ainsi à partir d'une des zones conductrices 130, et est en saillie par rapport à la première face 110 de cette première structure 1. De préférence, ce premier pilier d'interconnexion 6 est sensiblement cylindrique et présente une hauteur inférieure à 130pm, par exemple sensiblement égale à 80pm, et un diamètre inférieur à 100pm, par exemple sensiblement égal à 50pm. La couche de résine ainsi que les couches barrière et amorce dépourvues de premier pilier d'interconnexion peuvent alors être éliminées. 2 9 902 9 7 -21- Comme pour le mode de réalisation présenté précédemment, un ou plusieurs logements 29 sont également réalisés dans l'épaisseur de la deuxième structure 2 (un seul logement a été représenté sur les figures par souci de clarté). Avantageusement, dans cet autre mode de réalisation, l'une des zones conductrices 5 230 de la deuxième structure 2 délimite l'ouverture du logement 29 vers la première face 210 de cette deuxième structure 2. En d'autres termes, le logement 29 s'étend notamment à travers toute l'épaisseur de la deuxième couche de passivation 22, toute l'épaisseur d'une zone conductrice 230 de la deuxième structure 2, toute l'épaisseur de la deuxième couche isolante 21 et à travers une 10 fraction de l'épaisseur du deuxième substrat 20. En pratique, le logement 29 est de préférence réalisé par un procédé de gravure profonde et est sensiblement cylindrique. La profondeur de ce logement 29 est de préférence inférieure à 100pm, par exemple sensiblement égale 50pm. Son 15 diamètre est de préférence inférieur à 140pm, par exemple sensiblement égal à 90pm. Dans cet autre mode de réalisation, on prévoit de remplir partiellement le logement 29 ainsi réalisé d'un volume d'un matériau de soudure 233 conductrice. 20 Pour ce faire, une couche isolante 231 est tout d'abord déposé conforme aux parois internes du logement 29. Le dépôt de cette couche isolante peut être réalisé de la manière suivante : on réalise le dépôt « pleine plaque » de la couche isolante de sorte à recouvrir la face avant de la deuxième structure et à tapisser les parois internes du logement. On protège ensuite la portion de la couche isolante tapissant 25 les parois internes du logement par une résine photosensible. Les portions de cette couche isolante non protégées par cette résine sont ensuite éliminées par gravure sèche. Enfin on élimine la résine photosensible. Une couche barrière conductrice 232 est ensuite déposée sur cette couche isolante 231 et sur la zone conductrice 230 délimitant l'ouverture du logement 29. 30 Cette couche barrière 232 peut notamment être à base d'un matériau conducteur apte à empêcher la diffusion de particule de cuivre dans le substrat. Cette couche barrière 232 peut par exemple être à base de tantale, de nitrure de tantale, de titane 2 9 902 9 7 -22- ou de nitrure de titane Enfin, on remplit partiellement le logement d'un volume de matériau de soudure conducteur 233, qui est de préférence sous forme d'une pâte apte à laisser pénétrer le premier pilier. Cette pâte de soudure peut être à base d'un alliage d'étain, d'argent et de cuivre (SnAgCu). 5 Comme illustré sur la figure 14, une fraction de chaque premier pilier 6 est alors positionnée dans un des logements 29. En particulier, on fait pénétrer la portion de premier pilier 6 dans la pâte de soudure 233. A ce stade, les faces avant 110, 210 des première et deuxième structures 1, 2 sont en regard l'une de l'autre, 10 mais ne sont pas en contact direct. Avantageusement, la face avant 110 de la première structure 1 est parallèle ou sensiblement parallèle à la face avant 210 de la deuxième structure 2. On réalise ensuite la solidification de la pâte de soudure 233, par exemple par un recuit, la pâte de soudure 233 après solidification comblant de préférence tout le volume inoccupé par la fraction du premier pilier 15 dans le logement 29. Ainsi, l'ensemble formé par le premier pilier d'interconnexion 6, la pâte de soudure 233 et la couche barrière 232 assure le contact électrique entre les derniers niveaux métalliques de la première structure 1 et de la deuxième structure 2. 20 Une résine d'enrobage 3 (communément nommée « underfill ») est ensuite déposée pour remplir l'espace entre les premières faces 110, 210 de la première structure 1 et de la deuxième structure 2. Cette résine d'enrobage 3 peut être une résine polymère de type époxy ou analogue, et présente de préférence une épaisseur sensiblement égale à 30ùm. 25 En outre, dans le cas où la première structure est une puce, il est également possible de prévoir le dépôt d'une résine d'encapsulation 4 pour recouvrir complètement la puce. Cette résine d'encapsulation 4 peut également être à base d'époxy ou analogue. 30 De même, pour pouvoir opérer sur la deuxième face 211 (ou face arrière) de la deuxième structure 2, un organe support 5 peut être solidarisé temporairement à 2 9902 97 -23- la face arrière 111 de la première structure 1. Cet organe support 5, communément appelé « poignée » ou « carrier », peut être un substrat 50 en matériau adapté pour jouer le rôle de support mécanique, par exemple à base de silicium, verre, ou analogue. Par ailleurs, le substrat 50 de cet organe support 5 est temporairement 5 solidarisé à la face arrière 111 de la première structure 1 par l'intermédiaire d'une couche de matériau adhésif 51, par exemple en polyimide. Comme dans le mode de réalisation précédent, préalablement à l'adhésion de l'organe support 5, il est possible de prévoir une étape de polissage de la face 10 arrière 111 de la première structure 1, afin d'amincir l'épaisseur de la première structure 1 et d'aplanir la surface destinée à recevoir l'organe support 5. Une fois l'organe support 5 collé à la face arrière 111 de la première structure 1, on réalise le ou les deuxièmes piliers d'interconnexions 7. Chaque deuxième 15 pilier 7 doit notamment être relié électriquement à un premier pilier 6 et être en saillie par rapport à la face arrière 111 de la deuxième structure 2. Pour ce faire, le procédé suivant peut être mis en oeuvre (figures 15 à 18) : 20 - On amincit tout d'abord le deuxième substrat 2 par un meulage (ou « grinding » en anglais) de sa face arrière 211, par exemple en commençant avec un grain fort en enchainant avec grain plus fin puis par un polissage mécanochimique (ou CMP) qui permet d'éliminer l'éventuelle couche écrouie due au meulage; en pratique, à ce stade, l'amincissement est réalisé de manière à 25 laisser une fine couche de deuxième substrat 2 à l'aplomb du logement, par exemple l'épaisseur de cette fine couche peut être sensiblement égale à 101um. - Ensuite, comme illustrée sur la figure 15, on réalise une gravure sélective, par exemple une gravure plasma, pour amincir de nouveau le deuxième substrat 20 30 sans toucher à la couche isolante 231 tapissant les parois du logement 29. En d'autres termes, une portion du logement 29 est rendue apparente. En pratique, la hauteur de cette portion peut être sensiblement égale à 4ium. 2 9 902 9 7 -24- - Une couche d'oxyde de silicium 200 (figure 16) faisant office de couche isolante est alors déposée « pleine plaque » sur la face arrière 211 de la deuxième structure 2. Cette couche recouvre ainsi le deuxième substrat 20 et la portion 5 apparente du logement 29. On réalise ensuite un autre polissage pour ouvrir le logement 29. Plus précisément, on rabote par un polissage mécano-chimique la face arrière 211 de la deuxième structure 2. A ce stade, les couches isolante et barrière 231, 232 à l'aplomb du premier pilier 6 sont éliminées. 10 - De nouvelles couches barrière et amorce conductrices (représentées par la référence 201) sont alors déposées pour recouvrir la face arrière 211 de la deuxième structure 2 ainsi que le logement 29. - Le ou les deuxièmes piliers d'interconnexion 7 peuvent alors être formés 15 (figure 18) sur cette nouvelle couche amorce 201, par exemple par dépôt de cuivre par voie électrolytique. Ce dépôt de cuivre peut ensuite se poursuivre par le dépôt d'un matériau conducteur, typiquement en alliage à base d'étain/argent, sous forme d'un dôme 70 suite à un recuit. 20 Enfin, comme illustré sur la figure 19, les portions de couches barrière et amorce qui ne sont pas recouvertes par un deuxième pilier 7 sont éliminées. De même, l'organe support 5 est désolidarisé de la structure ainsi obtenue, par exemple par chauffage de la couche adhésive 51. 25 Au final, la structure d'empilement obtenue par cet autre mode de réalisation comprend notamment un ou des piliers d'interconnexions, chaque pilier s'étendant à partir d'une zone conductrice du dernier niveau métallique d'interconnexion de la première structure. Chaque pilier traverse toute l'épaisseur du deuxième substrat 2, et est en saillie par rapport à la face arrière 211 de ce 30 deuxième substrat 2. En particulier, chaque pilier résulte de la connexion d'un premier pilier 6 avec un deuxième pilier 7, la mise en contact de ces deux piliers ne formant alors plus qu'un pilier de connexion global. -25- En outre, l'ensemble formé par le premier pilier, la pâte de soudure et la couche barrière assure le contact électrique entre les derniers niveaux métalliques des première et deuxième structures.
Bien que la description ci-après ne présente que l'empilement d'une structure semi-conductrice sur une deuxième structure semi-conductrice, la solution développée ci-dessus peut également être mise en oeuvre pour l'empilement d'une pluralité de premières structures semi-conductrices, par exemple des puces électroniques. La structure d'empilement obtenue peut être découpée pour obtenir des modules électroniques 3D. La solution d'intégration 3D présentée ci-dessus, permet d'obtenir, de façon simple et moins couteuse, un empilement de structures semi-conductrices, telles que puce sur plaque (ou « die to wafer »), puce sur puce (ou « die to die ») ou plaque sur plaque (ou « wafer to wafer). La connexion électrique verticale est assurée par des piliers d'interconnexion ayant la particularité de s'étendre, à partir d'un des niveaux métalliques d'interconnexion d'une des structures, à travers toute l'épaisseur de l'autre substrat jusqu'à former saillie par rapport à la face arrière de cet autre structure. Ce type de pilier d'interconnexion est donc solidement ancré dans l'empilement, grâce à un collage direct face-to-face ou grâce à la combinaison de la pâte de soudure et de la couche de résine « underfill ».25

Claims (19)

  1. REVENDICATIONS1. Structure formée d'un empilement d'au moins une première structure semi- conductrice (1) sur une deuxième structure semi-conductrice (2), les première et deuxième structures (1,
  2. 2) comprenant chacune : - un substrat semi-conducteur (10, 20) recouvert d'une couche isolante (11, 21) comprenant des niveaux métalliques d'interconnexions (13, 23); et - une première face (110, 210) comprenant au moins une zone conductrice (130, 230) formant le dernier niveau métallique d'interconnexion desdits niveaux, lesdites premières faces (110, 210) des première et deuxième structures (1, 2) étant en regard l'une de l'autre, et le dernier niveau métallique de la première structure (1) étant connecté électriquement au dernier niveau métallique de la deuxième structure (2), ladite structure comprenant en outre : - un premier pilier d'interconnexion (6) connecté à ladite zone conductrice (130) de la première structure (1), et formant saillie par rapport à la première face (110) de la première structure (1) ; - un logement (29) traversant toute l'épaisseur de la deuxième structure (2), et contenant tout ou partie du premier pilier (6) ; et - un deuxième pilier d'interconnexion (7) formant saillie par rapport à une deuxième face (211) de la deuxième structure (2), ladite deuxième face (211) étant opposée à la première face (210), ce deuxième pilier (7) étant en contact électrique avec ledit premier pilier (6). 2. Structure selon la revendication 1, dans laquelle la première structure (1) est une puce électronique.
  3. 3. Structure selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la deuxième structure (2) est une puce électronique ou une plaque semi-conductrice.-27-
  4. 4. Structure selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le deuxième pilier (7) est à l'aplomb du premier pilier d'interconnexion (6), les premier et deuxième piliers (6, 7) formant un pilier global.
  5. 5. Structure selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle : - les premières faces (110, 210) des première et deuxième structures (1, 2) sont en contact direct et forme une unique couche isolante commune ; - le premier pilier (6) s'étend à partir d'une des zones conductrices de ladite unique couche isolante, et est entièrement positionné dans le logement (29).
  6. 6. Structure selon la revendication 5, dans laquelle - le dernier niveau métallique d'interconnexion de la première structure (1) et le dernier niveau métallique d'interconnexion de la deuxième structure (2) comprennent une pluralité de zones conductrices (130, 230) ; - l'une au moins desdites zones conductrices (130) de la première structure (1) est surmontée dudit premier pilier d'interconnexion (6) ; - chacune desdites zones conductrices (130) de la première structure (1) dépourvue dudit premier pilier (6), est en contact direct avec une des zones conductrices (230) de la deuxième structure (2).
  7. 7. Structure selon l'une des revendications 5 ou 6, dans laquelle le rapport entre le volume du logement (29) et celui du premier pilier (6) est supérieur à 4.
  8. 8. Structure selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle : - ladite zone conductrice (230) de la deuxième structure (2) délimite l'ouverture du logement (29) vers la première face (210) de la deuxième structure (2) ; - le logement (29) comprend :-28- - une couche isolante (231) conforme aux parois internes du logement (29), - une couche barrière conductrice (232) recouvrant ladite couche isolante (231) et ladite zone conductrice (230) délimitant l'ouverture du logement (29), et - un volume d'un matériau de soudure conductrice (233) ; une fraction du premier pilier (6) est positionnée dans le logement (29), ledit volume de matériau de soudure (233) comblant le volume inoccupé par ledit premier pilier (6) dans le logement (29) ; - l'ensemble formé par le premier pilier (6), le matériau de soudure (233) et la couche barrière (232) tapissant les parois du logement (29) assurant le contact électrique entre les derniers niveaux métalliques des première et deuxième structures (1, 2).
  9. 9. Structure selon la revendication 8, dans laquelle : - le rapport entre le volume du logement (29) et celui du premier pilier (6) est supérieur à 2 ; et - au moins deux tiers de la hauteur du premier pilier (6) est positionné dans le logement (29). 20
  10. 10. Structure selon l'une des revendications 8 ou 9, comprenant en outre une résine d'enrobage (3) comblant l'espace entre les premières faces (110, 210) des première et deuxième structures (1, 2). 25
  11. 11. Procédé de fabrication d'un empilement d'au moins une première structure semi-conductrice (1) sur une deuxième structure semi-conductrice (2), les première et deuxième structures (1, 2) comprenant chacune : - un substrat semi-conducteur (10, 20) recouvert d'une couche isolante (11, 21) comprenant des niveaux métalliques d'interconnexions (13, 30 23); et - une première face (110, 210) comprenant au moins une zone conductrice (130, 230) formant le dernier niveau métallique-29- d'interconnexion desdits niveaux, lesdites premières faces (110, 210) des première et deuxième structures (1, 2) étant en regard l'une de l'autre, et le dernier niveau métallique de la première structure (1) étant connecté électriquement au dernier niveau métallique de la deuxième structure (2) ; le procédé de fabrication comprenant - - la réalisation d'au moins un premier pilier d'interconnexion (6) s'étendant à partir de la zone conductrice (130) de la première structure (1), et formant saillie par rapport à la première face (110) de la première structure (1) ; - la réalisation d'au moins un logement (29) ouvert sur la première face (210) de la deuxième structure (2), traversant toute l'épaisseur de la deuxième couche isolante (21) et une partie de l'épaisseur du deuxième substrat (20) ; et - le positionnement de tout ou partie du premier pilier (6) dans ledit logement (29) par la mise en regard de la première face (110) de la première structure (1) avec la première face (210) de la deuxième structure (2), et la connexion électrique du dernier niveau métallique de la première structure (1) avec celui de la deuxième structure (2).
  12. 12. Procédé selon la revendication 11, comprenant en outre : - l'ouverture du logement (29) vers la deuxième face (211) de la deuxième structure (2), ladite deuxième face (211) étant opposée à la première face (210) de la deuxième structure (2) ; - le dépôt d'une couche de passivation (200) sur la deuxième face (211) de la deuxième structure (2) ; - l'élimination de la portion de couche de passivation (200) en regard du premier pilier d'interconnexion (6) ; - le dépôt d'une couche amorce conductrice sur la couche de passivation (200), la couche amorce étant connectée électriquement avec le premier pilier d'interconnexion (6) ;-30- - la réalisation d'au moins un deuxième pilier d'interconnexion (7) s'étendant d'une zone de la couche amorce, et formant saillie par rapport à la deuxième face (211) de la deuxième structure (2) ; et - élimination partielle de la couche amorce, les premier et deuxième piliers (6, 7) restant connectés électriquement entre eux par l'intermédiaire de la couche amorce restante.
  13. 13. Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, dans lequel le deuxième pilier (7) est à l'aplomb du premier pilier d'interconnexion (6), les premier et deuxième piliers (6, 7) formant un pilier global.
  14. 14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, dans lequel : - le dernier niveau métallique d'interconnexion de la première structure (1) comprend une pluralité de zones conductrices (130), l'une au moins desdites zones conductrices (130) de la première structure (1) étant surmontée dudit premier pilier d'interconnexion (6) ; - le dernier niveau métallique d'interconnexion de la deuxième structure (2) comprend une pluralité de zones conductrices (230) ; et dans lequel l'étape de positionnement du premier pilier (6) et de connexion des derniers niveaux métalliques comprend : - le positionnement du premier pilier (6) dans sa totalité dans le logement (29) ; et - le collage direct sous atmosphère contrôlé de chacune des zones conductrices (130) de la première structure (1) dépourvue de premier pilier (6) avec une des zones conductrices (230) de la deuxième structure (2).
  15. 15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel le rapport entre le volume du logement (29) et celui du premier pilier (6) est supérieur à 4.-31-
  16. 16. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, dans lequel : - le dernier niveau métallique d'interconnexion de la première structure (1) comprend une pluralité de zones conductrices (130), l'une au moins desdites zones conductrices (130) de la première structure (1) étant surmontée dudit premier pilier (6) ; - le dernier niveau métallique d'interconnexion de la deuxième structure (2) comprend une pluralité de zones conductrices (230), l'une au moins desdites zones conductrices (230) de la plaque délimitant l'ouverture du logement (29) vers la première face (210) de la deuxième structure (2) ; et dans lequel le procédé comprend en outre : - le dépôt d'une couche isolante (231) conforme aux parois internes du logement (29) ; - le dépôt d'une couche barrière conductrice (232) sur ladite couche isolante (231) et sur la zone conductrice (230) délimitant l'ouverture du logement (29) ; et - le remplissage partiel du logement (29) avec un volume d'un matériau de soudure (233).
  17. 17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape de positionnement du premier pilier (6) et de connexion des derniers niveaux métalliques comprend : - le positionnement d'une fraction du premier pilier (6) dans le logement (29) ; et - la solidification de la pâte de soudure, ledit matériau de soudure (233) comblant tout le volume inoccupé par ledit premier pilier (6) dans le logement (29) ; l'ensemble formé par le premier pilier (6), le matériau de soudure (233) et la couche barrière (232) assurant le contact électrique entre les derniers niveaux métalliques des première et deuxième structure (1, 2).30-32-
  18. 18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel : - le rapport entre le volume du logement (29) et celui du premier pilier (6) est supérieur à 2 ; et - au moins deux tiers de la hauteur du premier pilier (6) est positionné dans le logement (29).
  19. 19. Procédé selon l'une des revendications 17 ou 18, comprenant en outre le dépôt d'une résine d'enrobage (3) apte à combler l'espace entre les premières faces (110, 210) des première et deuxième structures (1, 2).10
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