La fabrication des interposeurs et les enjeux mécaniques associés [20]

La fabrication des interposeurs dépend de la méthode de remplissage des vias. Il existe plusieurs

façons de réaliser les TSV en fonction de l’application visée. Par conséquent, le procédé de fabrication de l’interposeur complet est adapté au type de TSV qui y est intégré [58]. La partie suivante décrit les étapes de réalisation d’un interposeur silicium et les enjeux mécaniques liés à sa fabrication. Seules les techniques utilisées dans le cadre de cette étude seront décrites.

IV.3.2.1. Fabrication d’un interposeur

La figure suivante présente un schéma en coupe de l’interposeur tel qu’il est fabriqué au LETI. Les puces reportées en face avant (la face où sont réalisés les différents niveaux d’interconnexions) sont connectées à ce dernier grâce à des plots d’interconnexion métalliques en forme de petites billes, appelés « microbumps ». Le réseau d’interconnexions est constitué de plusieurs niveaux du procédé damascène (annexe 2 [20]) et d’une couche de passivation visant à protéger les couches inférieures. Des TSV traversent le substrat de silicium pour relier les deux faces de l’interposeur. En face arrière (la face en contact avec les composants inférieurs) sont réalisés les contacts en forme de clou (« nail ») avec le substrat organique. Les dépôts en face arrière ont pour but d’isoler les TSV entre eux afin d’éviter tout court-circuit, de protéger de la corrosion la surface métallique des TSV (couches de passivation) et de redistribuer les connexions électriques sur l’ensemble de l’interposeur (couches de redistribution).

Figure IV.9 : Vue en coupe d’un interposeur silicium [20]

En termes d’épaisseurs, les dépôts réalisés en face avant et en face arrière sont épais de quelques microns au total. Les contacts en face avant avec les puces supérieures sont hauts d’une dizaine de microns, tandis que les plots de contact en face arrière sur lesquels sera reporté le substrat organique font 70 µm de hauteur. L’épaisseur caractéristique à retenir sur ce schéma est celle du substrat de

128 silicium qui est de 80 µm. Nous verrons par la suite que l’épaisseur du silicium est la difficulté principale de la fabrication des interposeurs silicium et conditionne le choix des matériaux et des couches à déposer sur les différentes faces.

IV.3.2.2. Enjeux mécaniques liés à la fabrication

Nous avons rappelé tout au long de ce travail que pour mieux remplir les vias (réalisation des

TSVs) et surtout réduire le temps de passage des informations, l’épaisseur du substrat doit être réduite. Cependant, réduire cette épaisseur implique de réduire la rigidité du système. L’ensemble n’est plus maintenu par le substrat, et devient beaucoup plus sensible à la répartition des contraintes des couches en présence. L’équilibre mécanique qui s’établit entre les couches implique de fortes déformations pouvant parfois même provoquer la rupture des plaques durant leur fabrication. En parallèle, la fabrication des TSV traversant le substrat est limitée par le remplissage de ces derniers. En effet, lorsque les TSV sont très hauts et peu larges, il n’est plus possible de les remplir correctement avec les techniques de dépôt conventionnelles. Ce paramètre technologique limite l’épaisseur de substrat permise. Celle-ci doit être optimisée afin de rendre possible la gravure puis de remplir les TSV. C’est pourquoi l’enjeu technologique aujourd’hui est de développer de nouveaux procédés de remplissage des TSV pour de plus grands facteurs de forme (rapport hauteur/largeur). Il faudra également en parallèle développer des matériaux à intégrer sur les faces de l’interposeur, pour limiter la déformation du système sur un substrat aminci.

Les études actuelles sur la limitation de la déformation concernent une épaisseur de silicium de 80 µm. Compte tenu de cette valeur, l’enjeu est d’optimiser les conditions de dépôt des couches en présence afin que celles-ci n’induisent pas une déformation trop importante, remarquable à deux niveaux :

- A l’échelle de la plaque tout d’abord, limiter la déformation permet de réaliser les différentes étapes de procédés sans dommage. Le chargement automatique des plaques dans certains équipements, tout comme le maintien des plaques durant le procédé ne sont possibles que pour des plaques faiblement déformées. De plus, les procédés sur la face arrière sont réalisés lorsque le substrat est tenu par une poignée temporaire (annexe 3). L’étape de séparation de la poignée est délicate, puisqu’on retire au système le support qui lui permettait de limiter sa déformation. C’est d’ailleurs durant cette étape de décollage que sont observées de fréquents endommagements. Il faut donc assurer une déformation minimale jusqu’à l’étape de découpe des puces après amincissement du substrat et procédés sur la face arrière. - Après découpe, les puces supérieures sont reportées sur l’interposeur à une température

donnée, différente de la température ambiante d’utilisation des dispositifs. L’ensemble est alors chauffé afin que les billes métalliques entrent en fusion et viennent souder les plots des puces supérieures. Un report de puce efficace demande à ce que toutes les billes métalliques soient en contact, et nécessite donc une flèche locale maximale de ± 20 µm, celle du diamètre des billes, tel qu’illustré sur la Figure IV.10.

Chapitre IV : Application à la fabrication d’un interposeur en silicium

129 Figure IV.10 : Déformation maximale autorisée dans le plan de collage à la température de report

de puces [20]

L’étude mécanique d’un tel dispositif a donc plusieurs enjeux : tout d’abord, elle doit permettre de maîtriser la déformation à l’échelle de la plaque pour assurer un bon déroulement des étapes de fabrication avant l’assemblage des puces. Ensuite, elle doit assurer que les matériaux déposés n’impliquent pas de déformation trop importante en température, afin de permettre un bon report des puces sur les interposeurs. C’est dans cette optique qu’une méthodologie de choix des matériaux et des épaisseurs à déposer sur les deux faces de la plaque a été mise en place par H. Isselé [20].