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FR3006807A1 - Procede de realisation d'au moins une liaison traversante electriquement conductrice avec dissipation thermique amelioree, et structure integree tridimensionnelle correspondante - Google Patents

Procede de realisation d'au moins une liaison traversante electriquement conductrice avec dissipation thermique amelioree, et structure integree tridimensionnelle correspondante Download PDF

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FR3006807A1
FR3006807A1 FR1355220A FR1355220A FR3006807A1 FR 3006807 A1 FR3006807 A1 FR 3006807A1 FR 1355220 A FR1355220 A FR 1355220A FR 1355220 A FR1355220 A FR 1355220A FR 3006807 A1 FR3006807 A1 FR 3006807A1
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France
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cavity
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Simon Gousseau
Yann Beilliard
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Abstract

Procédé de réalisation d'au moins une liaison traversante électriquement conductrice (LTE) au sein d'un support (SUP), comprenant : - une formation d'une cavité (CV) dans le support depuis une première face (BF) du support jusqu'à déboucher sur une portion électriquement conductrice (POR), - une formation d'une couche électriquement conductrice (CEE) au fond et sur les parois de la cavité et au moins partiellement sur la première face à l'extérieur de la cavité, Le procédé comprend en outre un remplissage au moins partiel de ladite cavité par au moins un matériau à changement de phase (MAT). L'invention vise également une structure intégrée tridimensionnelle.

Description

Procédé de réalisation d'au moins une liaison traversante électriquement conductrice avec dissipation thermique améliorée, et structure intégrée tridimensionnelle correspondante L'invention concerne les circuits intégrés, notamment les structures intégrées tridimensionnelles comprenant des liaisons traversantes électriquement conductrices, et plus particulièrement, la dissipation thermique à l'intérieur de telles structures.
Les structures intégrées tridimensionnelles comprennent généralement au moins deux circuits intégrés fabriqués indépendamment puis liés l'un à l'autre. De manière classique, afin de réaliser un assemblage de la face arrière d'un premier circuit intégré et de la face avant d'un deuxième circuit intégré, des liaisons traversantes électriquement conductrices (« TSV : Through Silicon Via » selon un vocable anglo-saxon bien connu de l'homme du métier) sont réalisées au sein du premier circuit intégré. Lors du fonctionnement de ces circuits intégrés, les différents composants des circuits intégrés libèrent de la chaleur. Cette chaleur limite la puissance de fonctionnement des circuits intégrés et donc leurs performances. Le document US 7 666 768 décrit des liaisons traversantes électriquement conductrices qui comprennent des structures en carbone pour diminuer l'expansion thermique des liaisons traversantes électriquement conductrices et augmenter la conductivité électrique. Par ailleurs, le document W02010/120448 décrit des liaisons traversantes électriquement conductrices larges et conductrices de chaleur.
Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé un procédé de réalisation d'au moins une liaison traversante électriquement conductrice et une structure intégrée tridimensionnelle présentant une dissipation thermique améliorée.
Les inventeurs ont observé que, pour améliorer la dissipation thermique d'une structure tridimensionnelle, il était particulièrement intéressant, d'une part, d'agir au niveau des liaisons traversantes car celles-ci forment des obstacles à la dissipation thermique à l'intérieur d'une structure intégrée, et d'autre part, de remplir au moins partiellement les liaisons traversantes électriquement conductrices avec un matériau à changement de phase (« Phase-Change Material » en langue anglaise). Selon un aspect, il est proposé un procédé de réalisation d'au moins une liaison traversante électriquement conductrice au sein d'un support, comprenant : - une formation d'une cavité dans le support depuis une première face du support, par exemple la face arrière, jusqu'à déboucher sur une portion électriquement conductrice, - une formation d'une couche électriquement conductrice au fond et sur les parois de la cavité et au moins partiellement sur la première face à l'extérieur de la cavité. Selon une caractéristique générale de cet aspect, le procédé comprend en outre un remplissage au moins partiel de ladite cavité par au moins un matériau à changement de phase. Les matériaux à changement de phase peuvent emmagasiner de l'énergie thermique en changeant de phase lors d'une augmentation de température due du fonctionnement de la structure intégrée comprenant cette liaison. Cette énergie emmagasinée est ensuite libérée lorsque la structure intégrée n'est plus en fonctionnement. Ce qui permet d'améliorer la dissipation thermique dans la structure tridimensionnelle. On choisira notamment des matériaux à changement de phase qui peuvent se liquéfier dans les gammes de températures correspondant au fonctionnement des circuits intégrés. Le procédé peut comprendre, préalablement à l'étape de formation d'une couche électriquement conductrice, une formation d'une couche isolante sur les parois de la cavité et sur la première face à l'extérieur de la cavité. Cette couche permet notamment d'éviter les contacts électriques entre un matériau tel que du silicium et un matériau conducteur. Le procédé peut comprendre en outre une formation d'une couche de polymère, par exemple du polybenzoxazole, au sommet de la cavité et en contact avec le matériau à changement de phase, le polymère étant apte à se déformer lors d'un changement de phase du matériau à changement de phase. Le remplissage de la cavité est ainsi, dans ce mode de mise en oeuvre, effectué en deux étapes, une première étape dans laquelle on remplit avec un matériau à changement de phase, et une deuxième étape avec du polymère pour encapsuler le matériau à changement de phase. On peut ainsi protéger la couche le matériau à changement de phase avec une couche de polymère souple qui supportera les contraintes mécaniques dues à l'expansion thermique du matériau à changement de phase qui se dilate en changeant de phase, mais également aux contraintes thermiques et mécaniques imposées aux circuits intégrés lors de l'assemblage dans des boitiers. On protège ainsi la couche le matériau à changement de phase, et celle-ci reste protégée, même après plusieurs changements de phase. L'homme du métier saura choisir le module de Young du matériau à changement de phase dont les propriétés mécaniques sont adaptées pour recouvrir une liaison traversante électriquement conductrice comprenant un matériau à changement de phase.
A titre indicatif, le polymère a un module de Young inférieur à 3 GPa. La couche de polymère peut également recouvrir la couche conductrice qui s'étend sur la première face, et on peut ouvrir cette couche de polymère pour obtenir un contact électrique sur cette première face. On pourra par exemple former un pilier conducteur en contact avec la couche conductrice saillant de la première face. En outre, on peut remplir ladite cavité par un matériau à changement de phase contenant des particules de cuivre.
Ainsi, on augmente la conductivité thermique à l'intérieur des liaisons traversantes électriquement conductrices et on obtient une meilleure dissipation thermique par le matériau à changement de phase.
Selon un autre aspect, il est proposé une structure intégrée tridimensionnelle comprenant une liaison traversante électriquement conductrice s'étendant dans un support depuis une première face du support jusqu'à une portion électriquement conductrice, la liaison traversante électriquement conductrice comprenant une couche électriquement conductrice s'étendant au moins partiellement sur la première face. Selon une caractéristique générale de cet aspect, la liaison traversante électriquement conductrice comprend au moins en partie un matériau de remplissage au contact de la couche électriquement conductrice, le matériau de remplissage comprenant au moins un matériau à changement de phase. La structure intégrée tridimensionnelle peut comprendre une couche isolante disposée autour de la liaison traversante électriquement conductrice entre le support et la couche électriquement conductrice, et sur la première face du support. La structure peut comprendre une couche de polymère surmontant et en contact avec le matériau de remplissage, le polymère étant apte à se déformer lors d'un changement de phase du matériau à changement de phase.
La couche de polymère peut comprendre du polybenzoxazole. Le polymère peut avoir un module de Young inférieur à 3GPa. La structure peut comprendre en outre des particules de cuivre contenues dans le matériau à changement de phase. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'étude de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 6 illustrent schématiquement différentes étapes d'un mode de mise en oeuvre d'un procédé et un mode de réalisation d'une structure intégrée tridimensionnelle selon l'invention. Sur la figure 1 on a représenté un support SUP, par exemple une plaquette de silicium (« wafer » en langue anglaise). Le support SUP peut comprendre une région comprenant des composants, par exemple des transistors pour former une région bien connue de l'homme du métier sous l'acronyme anglo-saxon « FEOL : Front End Of Line ». Le support SUP peut également comprendre une région comprenant des lignes métalliques (« BEOL : Back End Of Line » en langue anglaise) qui comprend notamment une portion électriquement conductrice POR. La portion électriquement conductrice POR est réalisée au voisinage de la face avant FF du support. Le support SUP comporte également une face arrière BF opposée à la face avant FF. Afin d'assembler un circuit intégré sur cette face arrière BF du support SUP, il est nécessaire de former une liaison électrique entre cette face arrière et les lignes métalliques disposées au voisinage de la face avant FF du support SUP, par exemple la portion POR. À cet effet, on peut former une cavité CV qui s'étend dans le support SUP depuis la face arrière BF jusqu'à la portion électriquement conductrice POR. La formation de la cavité peut être suivie par une formation d'une couche d'isolation, non représentée, sur les parois de la cavité CV et sur la face arrière BF.
La cavité CV peut avoir une hauteur comprise entre 50 et 200 micromètres et le rapport hauteur sur diamètre de cette cavité peut être compris entre 1 et 3. On a également formé une couche de barrière métallique et d'accroche BMA au fond de la cavité CV, sur les parois de la cavité CV et partiellement sur la face arrière BF. Cette couche barrière et d'accroche permet de former une couche électriquement conductrice CEE, par exemple en cuivre, au fond et sur les parois de la cavité CV et au moins partiellement sur la face arrière BF. C'est cette couche électriquement conductrice qui forme une liaison électrique entre la portion électriquement conductrice POR et la face arrière BF du support SUP. Alors que dans l'art antérieur on peut remplir la cavité CV avec une résine, ici, on remplit au moins partiellement la cavité par au moins un matériau à changement de phase MAT, comme illustré sur la figure 2. Ce remplissage peut par exemple être mis en oeuvre par une étape de sérigraphie dans laquelle on fait pénétrer dans la cavité CV un matériau de remplissage qui comprend au moins du matériau à changement de phase. Lors de cette étape de remplissage, le matériau à changement de phase MAT peut être dans une phase liquide. Dans cette phase liquide, il est dilaté et affleure l'ouverture de la cavité. En se refroidissant, comme illustré à la figure 3 le matériau à changement de phase MAT se contracte et ne remplit que partiellement la cavité CV. A titre d'exemple, en utilisant de l'acétate trihydrate de sodium comme matériau à changement de phase, on peut avoir un matériau qui se liquéfie autour de 55°C et qui convient pour des variations de températures liées à l'utilisation des circuits intégrés.
On peut également utiliser d'autres matériaux à changement de phase, par exemple des hydrates de sel ou de la paraffine. On peut alors former une couche de polymère PS au-dessus et en contact avec le matériau à changement de phase MAT (figure 4). La couche de polymère PS est suffisamment souple pour se déformer lors d'un changement de phase du matériau à changement de phase MAT. En effet, une fois le circuit intégré terminé, lors de son fonctionnement, la température peut s'élever de sorte que le matériau à changement de phase MAT change de phase pour se dilater comme illustré en se référant à la figure 2. C'est par ce changement de phase que l'on améliore la dissipation thermique au sein de la structure obtenue. La couche de polymère PS permet d'encapsuler le matériau à changement de phase pour supporter les contraintes thermiques et mécaniques imposées aux circuits intégrés lors de l'assemblage dans des boitiers. Bien entendu, même si sur la figure 4 la couche de polymère recouvre la couche électriquement conductrice CEE, il est possible d'ouvrir cette couche de polymère pour pouvoir ensuite former un pilier conducteur. On obtient une liaison traversante électriquement conductrice LTE. La figure 5 est une représentation schématique selon une variante de l'invention dans laquelle on a rempli la cavité CV par un matériau à changement de phase MAT comprenant des particules de cuivre PCU. On pourra par exemple utiliser des particules de cuivre ayant des dimensions de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. L'utilisation de particules de cuivre PCU permet d'améliorer la conductivité thermique au sein des liaisons traversantes électriquement conductrices pour améliorer la dissipation thermique par le matériau à changement de phase MAT. On peut assembler le support SUP avec un circuit intégré additionnel CIA (figure 6). Plus précisément, ici, on a assemblé la face avant FAA du circuit intégré additionnel CIA avec la face arrière BF du support SUP, recouverte ici par la couche de barrière métallique et d'accroche BMA, par la couche électriquement conductrice CEE et par la couche de polymère PS. Cet assemblage peut comprendre la formation d'un pilier conducteur PCO en contact électrique avec la couche électriquement conductrice CEE et avec une portion métallique non représentée ici du circuit intégré CIA. Une couche de comblement CBL peut également combler espaces entre le circuit intégré CIA et le support SUP. On obtient une structure intégrée tridimensionnelle S3D comprenant une liaison traversante électriquement conductrice LTE s'étendant dans le support SUP depuis une première face du support (ici la face arrière BF) jusqu'à une portion électriquement conductrice POR, la liaison traversante électriquement conductrice LTE comprenant une couche électriquement conductrice CEE s'étendant au moins partiellement sur la première face. La liaison traversante électriquement conductrice comprend au moins en partie un matériau de remplissage au contact de la couche électriquement conductrice, le matériau de remplissage comprenant au moins un matériau changement de phase MAT. Selon un aspect de l'invention, on obtient une amélioration de la dissipation thermique à l'intérieur de la structure tridimensionnelle intégrée obtenue.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'au moins une liaison traversante électriquement conductrice (LTE) au sein d'un support (SUP), comprenant : - une formation d'une cavité (CV) dans le support depuis une première face (BF) du support jusqu'à déboucher sur une portion électriquement conductrice (POR), - une formation d'une couche électriquement conductrice (CEE) au fond et sur les parois de la cavité et au moins partiellement sur la première face à l'extérieur de la cavité, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un remplissage au moins partiel de ladite cavité par au moins un matériau à changement de phase (MAT).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une formation d'une couche de polymère (PS) au sommet de la cavité et en contact avec le matériau à changement de phase (MAT), le polymère étant apte à se déformer lors d'un changement de phase du matériau à changement de phase.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le polymère a un module de Young inférieur à 3 GPa.
  4. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel on forme une couche de polymère comprenant du polybenzoxazole.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on remplit ladite cavité par un matériau à changement de phase contenant des particules de cuivre (PCU).
  6. 6. Structure intégrée tridimensionnelle comprenant une liaison traversante électriquement conductrice (LTE) s'étendant dans un support (SUP) depuis une première face (BF) du support jusqu'à une portion électriquement conductrice (POR), la liaison traversante électriquement conductrice comprenant une couche électriquement conductrice (CEE) s'étendant au moins partiellement sur la première face, caractérisé en ce que la liaison traversante électriquement conductrice comprend au moins en partie un matériau de remplissageau contact de la couche électriquement conductrice, le matériau de remplissage comprenant au moins un matériau à changement de phase (MAT).
  7. 7. Structure intégrée selon la revendication 6, comprenant une couche de polymère (PS) surmontant et en contact avec le matériau de remplissage, le polymère étant apte à se déformer lors d'un changement de phase du matériau à changement de phase.
  8. 8. Structure intégrée selon la revendication 7, dans laquelle la couche polymère comprend du polybenzoxazole.
  9. 9. Structure intégrée selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle le polymère a un module de Young inférieur à 3 GPa.
  10. 10. Structure intégrée selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, comprenant en outre des particules de cuivre (PCU) contenues dans le matériau à changement de phase.
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