НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 3, с. 344-348
УДК 544.654.2:669
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ФОРМИРОВАНИЯ КОНТАКТНЫХ СТРУКТУР ДЛЯ СБОРКИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ © 2015 г. В. М. Рощин*, В. Л. Дшхунян**, И. Н. Петухов*, К. С. Сеньченко*, В. Р. Кухтяева*
*Национальный исследовательский университет "МИЭТ", Москва **ОАО "Российская электроника"
e-mail: Impetus@nm.ru Поступила в редакцию 18.06.2014 г.
Рассмотрены процессы электрохимического осаждения олова для создания контактных элементов при сборке интегральных микросхем. Проведены исследования влияния органических добавок в сульфатные электролиты при формировании локальных вертикальных структур с подавлением бокового разрастания осаждаемого материала.
DOI: 10.7868/S0002337X15030136
ВВЕДЕНИЕ
Современный рынок интегральных микросхем предъявляет к конструкции ИС все более жесткие условия. Теперь они должны быть не только высокопроизводительными и иметь минимальные габаритные размеры, но и обеспечивать при этом максимально возможную функциональность. Повсеместная миниатюризация электронных приборов стимулирует разработчиков современных технологий производства интегральных структур к поиску новых решений. На сегодняшний день для обеспечения более высокого уровня функциональности при минимальных размерах и максимальном быстродействии альтернативой уменьшению топологических размеров элементов является кристальная интеграция — ЗЭ-интеграция, позволяющая при фиксированных проектных нормах и существующей элементной базе создавать функциональные микросборки [1].
Одним из важных технологических этапов создания ЗЭ-интегрированных структур является технология "перевернутого кристалла" (flip-chip), позволяющая без применения операций сварки проволочных выводов непосредственно коммутировать элементы микросборки либо на прецизионные платы, либо на кремниевые кристаллы. Переход к flip-chip-соединению кремниевых кристаллов обеспечивает уменьшение размеров корпусов интегральных структур, более эффективные температурные режимы, улучшение электрофизических характеристик, в том числе высокочастотных параметров микромодулей и микросборок. Соединение столбиковыми выводами экономит 30—50% занимаемой площади по сравнению со сваркой проволокой, снижает паразитные емкости за счет уменьшения длины межсоединений
[2]. Основу метода перевернутого кристалла составляют столбиковые выводы, располагаемые на металлизированных контактных площадках кристаллов интегральных микросхем или коммутационной платы. В настоящее время при сборке по технологии flip-chip используются в основном три варианта формирования вертикальных контактных элементов на кристалле [3]:
1) размещение готовых шариков припоя — бампов;
2) получение столбиковых выводов оплавлением проволоки;
3) электрохимическое формирование столбиковых припойных выводов.
Первые два способа сопряжены с технологическими трудностями размещения и крепления готового припоя и необходимостью использования дорогостоящего прецизионного оборудования. Технологическими ограничениями также являются диаметр бампов и проволоки. Требования уменьшения размера межсоединений делают наиболее перспективным гальваническое выращивание локальных вертикальных столбиков через маску фоторезиста. При этом наиболее сложной технологической операцией является непосредственно формирование вертикального контактного столбика требуемого размера (высоты и диаметра), так как высота столбика превышает типичную толщину слоя фоторезиста и электрохимическое выращивание проводится фактически в открытом объеме электролита. Направленное локальное формирование вертикальных контактных структур с высотой, превышающей толщину маски фоторезиста, возможно в следующих случаях:
— при ориентированном (вертикальные кристаллы) разрастании материала контакта с локальной области катодного подслоя, в этом случае материал и структура катодного подслоя должны оказывать ориентирующее влияние на первоначальную структуру вертикального контакта для обеспечения роста перпендикулярно поверхности;
— при мелкокристаллическом разрастании вертикального контакта с подавлением бокового роста материала, когда высота контакта начинает превышать толщину фоторезиста [4].
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве направления исследования было выбрано изучение возможности подавления бокового (тангенциального) разрастания материала при электрохимическом осаждении олова из кислых электролитов и с использованием модифицирующих органических добавок. Для формирования вертикальных контактных столбиков на 81 пластины (КЭФ-4,5, ориентация (100)) методом импульсного осаждения низкотемпературной плазмы [5] был нанесен некристаллический (для исключения влияния ориентирующей роли поверхности) слой N1 толщиной 50 нм, являющийся катодом при электрохимическом осаждении. После нанесения фоторезиста (толщина варьировалась от 2 до 10 мкм) и проведения фотолитографии были вскрыты контактные окна различных конфигураций. Размер площадок изменялся от 25 до 1600 мкм2. Некристаллический никелевый подслой также являлся диффузионным барьером в случае последующего использования термической обработки структур. Форма контактных окон (квадраты, круги и шестиугольники) и их размещение представлены на рис. 1. Изображение получено с помощью микроскопа ММУ-ЗУ 4.2.
Для электрохимического осаждения в качестве базового был приготовлен сульфатный электролит, содержащий 98 г/л серной кислоты и 25 г/л сульфата олова. Осаждение проводилось при комнатной температуре.
Первоначально осаждение проводилось в базовом электролите без модифицирующих добавок при малых и больших напряжениях. Катодное (отрицательное) напряжение прикладывалось через контактирующий электрод к никелевой пленке. В качестве анода использовался электрод из олова. Припой осаждался на никелевой пленке во вскрытых окнах. На начальных стадиях роста отчетливо наблюдалось заполнение вертикального канала в фоторезистивной маске. При превышении толщины осажденного слоя относительно толщины фоторезистивной маски наблюдалось возникновение игольчатых кристаллов на оса-
Рис. 1. Микрофотография поверхности подложки со вскрытыми контактными окнами.
ждаемых площадках случайной ориентации. Поверхность образца с образовавшимися дендрита-ми и тонкими нитевидными кристаллами при различном увеличении представлена на рис. 2.
Данный результат соответствует ранее проведенным исследованиям, при этом движущей силой в образовании нитевидных кристаллов является сдавливающее напряжение в слоях олова. Это напряжение может быть следствием различных причин, таких как формирование интерметаллической структуры, окисление и коррозия, цикличное изменение температуры или механическое воздействие [6].
Из электролитов, содержащих простые соли в отсутствие специальных добавок, многие металлы (Си, 8п, РЬ, Л§ и др.) выделяются с малым перенапряжением, поэтому осадки этих металлов имеют крупнокристаллическую структуру и растут в виде отдельных изолированных кристаллов, ориентированных по линиям поступления ионов. Только в присутствии определенных для данного электролита поверхностно-активных веществ (ПАВ), вызывающих сильное торможение катодного процесса, возможно получение из таких электролитов мелкозернистых, плотных осадков [7].
ПАВ концентрируются на поверхности роста, снижают поверхностное натяжение, сближают потенциалы осаждаемых металлов, улучшают качество покрытия, катодную поляризацию и стабилизируют электролит.
Дальнейшие исследования по осаждению олова проводились в присутствии органических добавок в электролит. Первоначально в сернокислый раствор добавлялся изопропиловый спирт (изопропанол), при этом вязкость раствора практически не изменялась. На рис. 3 и 4 представлены фронтальное и боковое изображения тестовых структур.
Рис. 2. Дендриты на поверхности тестового образца.
При электрохимическом осаждении из электролита с добавлением изопропилового спирта наблюдалось достаточно равномерное заполнение контактных площадок, отсутствовали произвольно расположенные нитевидные кристаллы. Боковое разрастание материала имело место, однако при диаметре контактных площадок более 30 мкм данное превышение тангенциальных размеров вертикального контакта находилось в пределах допуска на монтаж кристаллов.
В следующей серии экспериментов в качестве добавки был выбран трилон-Б. Его важнейшее свойство — способность образовывать водорастворимые комплексы с поливалентными ионами. Трилон-Б способен сублимировать даже труднорастворимые соли металлов. Однако при осаждении олова наблюдалась плохая адгезия покрытия к катодному слою тестовой структуры, а при пре-
Ш
I г
«г »
*
:
г
*
вышении высоты столбика олова над поверхностью фоторезистивной маски наблюдалось образование нитевидных кристаллов, ориентированных тангенциально к поверхности пластины. Данные результаты могут свидетельствовать о том, что добавка трилона-Б не обеспечивает требуемую поляризацию на нормальной и тангенциальной границах роста, что приводит к неудовлетворительной адгезии и не способствует подавлению роста материала на боковой поверхности.
В процессе проведения экспериментов было замечено, что кроме поляризационных свойств добавок и определенной ориентацией органических молекул в приповерхностном слое электролита преимущественный рост материала в верти-
100 мкм
20 мкм
11_I
0
Рис. 3. Поверхность тестового образца при осаждении олова из сульфатного электролита с добавлением изопропилового спирта.
Рис. 4. Изображение вертикальной структуры олова высотой 28 мкм при осаждении из сульфатного электролита с добавлением изопропилового спирта.
Рис. 5. Поверхность тестового образца при осаждении олова из сульфатного электролита с добавлением желатина: при напряжении 1 В (а), 5 В (б).
*лц
28.9 мкм
V
(б)
Рис. 6. Изображение вертикальной структуры олова при осаждении из сульфатного электролита с добавлением желатина: при напряжении 1 В (а), 5 В (б).
кальном направлении может быть обусловлен и повышением вязкости электролита.
Для проверки гипотезы в качестве добавки ПАВ к сульфатному электролиту был выбран желатин. К
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.