ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 621.382.213
ПОКРЫТИЯ КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК КРИСТАЛЛОВ И ТРАВЕРС КОРПУСОВ ДЛЯ МИКРОСВАРКИ ВНУТРЕННИХ
ВЫВОДОВ 3D ИЗДЕЛИЙ © 2013 г. В. В. Зенин1, А. А. Стоянов2, С. В. Петров3, Б. А. Спиридонов1
воронежский государственный технический университет 2Научно-исследовательский институт электронной техники 3ОАО "Воронежский завод полупроводниковых приборов — Сборка" E-mail: zenvik@bk.ru Поступила в редакцию 19.11.2012 г.
Рассмотрены конструктивно-технологические особенности создания дискретных полупроводниковых приборов и 3Б-изделий. Проведен анализ покрытий контактных площадок кристаллов и траверс корпусов для формирования внутренних соединений в 3Б-изделиях. Установлено, что на операции сборки ЗБ-изделий необходимо, в первую очередь, рассматривать следующие покрытия: на кристаллах — алюминиевую и медную металлизации, а на траверсах корпусов — золото, серебро, никель и его сплавы, гальваническое алюминирование. Приведены сведения о технологии осаждения данных покрытий.
DOI: 10.7868/S0544126913040108
ВВЕДЕНИЕ
Повышение функциональности микросхем (интегральной, механической, оптической и биологической) с улучшением их характеристик, повышением производительности и снижением себестоимости возможно с применением 3D интеграции. Новые процессы создания дискретных полупроводниковых приборов и ЗБ-сборок интегрируют в себя современные возможности технологии чипов СБИС (субмикронные проектные нормы, Trench-технологии, многоуровневые межсоединения, планаризацию поверхности и т.д.) [1].
Трехмерный метод производства имеет два очевидных преимущества [2]: существенное снижение цен при фиксированном числе транзисторов на кристалле; увеличение числа транзисторов со скоростью, не меньшей, чем предусматривает закон Мура в расчете на количество устройств, приходящихся на единицу площади. Существуют следующие методы ЗБ-интеграции [3]: чип-на-чипе (этажерочная сборка); пластина-на-пластине, или вертикальная система интеграции (VSI); корпус-на-корпусе.
Этажерочная (стековая) сборка кристаллов с последующей разваркой внутренних соединений много лет используется ведущими компаниями (Intel, Hitachi, Sharp, Amkor, Philips и др).
Вертикальная система интеграции (VSI), характеризующаяся высокой плотностью выводов, выполняется двумя методами [3, 4]: 1) монтаж кри-
сталлов на пластину C2W (Chip to Wafer); 2) монтаж пластины на пластину W2W (Wafer to Wafer).
По первому методу соединения формируются разваркой или по технологии "flip-chip", по второму — по технологии формирования сквозных отверстий в кремнии (Through-Silicon Vias — TSV). По технологии TSV используют сквозные кремниевые межсоединения или переходные отверстия в кремнии, которые позволяют убрать операцию разварки из технологической цепочки, что обеспечивает максимально возможный уровень интеграции ИС.
Для реализации технологии TSV требуется целый комплекс дорогостоящего технологического оборудования: лазерной обработки; глубокого реактивного ионного травления; нанесения фоторезиста; напыления металлов; монтажа кристаллов; механического утонения пластин.
Операция монтажа кристаллов с упаковкой в один корпус и последующих межсоединений методом разварки проволочных выводов получила широкое распространение.
На рис. 1 показана схема сборки 3D БИС.
Надежность изделий микроэлектроники, в т.ч. и 3D-изделий, во многом зависит от надежности соединений. По данной отечественной и зарубежной научно-технической информации от 30 до 60% всех отказов радиоэлектронной аппаратуры приходится на долю контактов.
При решении вопроса о надежности как сварных, так и паяных соединений, наряду с выбором
Рис. 1. Стековые 3D БИС фирмы Intel (логика + два кристалла памяти) по технологии Non TSV с разваркой выводов (логика — верхний кристалл).
Кристалл
Кристалл
Si-прокладка
Кристалл
ö О О О О О о
оптимальных способов и режимов монтажа, необходимо учитывать состав и свойства покрытий. Анализ покрытий контактных площадок кристаллов и траверс корпусов полупроводниковых изделий (ППИ) показал, что для формирования внутренних соединений в 3Э изделиях необходимо, в первую очередь, рассматривать следующие покрытия: на кристаллах — алюминиевую и медную металлизации, а на траверсах корпусов — золото, серебро, никель и его сплавы, гальваническое алюминирование.
ПОКРЫТИЯ КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК КРИСТАЛЛОВ
К покрытиям предъявляются следующие основные требования [5, 6]:
они должны обеспечивать хорошую паяемость с полупроводниковыми кристаллами и свариваемость с внутренними выводами;
сохранять способность к пайке и сварке при заданном сроке хранения; обеспечивать антикоррозионную защиту;
не подвергаться росту нитевидных кристаллов ("усов") при хранении и разрушению при температурах сборки, испытании и эксплуатации;
обеспечивать минимальное переходное электрическое сопротивление;
быть устойчивыми к тепловому удару при монтаже приборов на печатные платы пайкой, к химическим реагентам, используемым в процессе сборки;
обеспечивать адгезию компаунда при герметизации прибора опрессовкой полимером.
На надежность соединений влияют физико-механические свойства материала контактных площадок. Например, акустические условия в зоне УЗС зависят от морфологии покрытий контактных площадок. Для образования прочного и
надежного микросоединения необходимо иметь поверхность покрытия контактных площадок с малой высотой микронеровностей и, по возможности, меньшим значением внутренних напряжений в покрытии [7].
Производство ИС, особенно БИС и СБИС ориентировано на использование автоматического сборочного оборудования производительностью до 15 тысяч соединений в час и более с электронными сканирующими устройствами и системами оптико-телевизионного контроля. Широкое внедрение автоматического микросварочного оборудования при массовом производстве ППИ делает особо актуальной задачу повышения воспроизводимости качества микросоединений за счет ужесточения требований к физико-химическим свойствам и состоянию поверхности деталей, поступающих на операции сборки. Кроме различных конструктивно-технологических факторов на качество микросоединений оказывают существенное влияние пленочная металлизация на кристалле (толщина, состояние поверхности, структура и адгезия пленки с подложкой и др.) [8, 9].
В настоящее время проводятся работы, направленные на формирование межсоединений из медной металлизации вместо алюминиевой, что способствует увеличению быстродействия ППИ и повышению их стабильности в процессе эксплуатации. Однако существующая технология производства медной системы металлизации не обеспечивает достаточной надежности межсоединений.
Алюминий и его сплавы пока остаются основным материалом металлизации для БИС и СБИС. При этом ужесточились требования к металлизации: выдерживать высокие токи возбуждения и частоты синхронизации при уменьшении геометрических размеров (сечения металлизации), иметь низкое контактное сопротивление, обеспечивать
Таблица 1. Удельное сопротивление алюминиевой металлизации
Тип металлизации Толщина слоя, мкм Удельное сопротивление, мкОм • см
Алюминий (термический) 0.71 2.9
1.07 2.87
Алюминий (электронно-лучевой) 1.25 2.88
1.58 2.81
Алюминий (магнетронный) 0.93 3.33
1.45 3.13
Алюминий + 1% кремния (магнетронный) 0.97 3.34
1.50 3.20
Алюминий + 2% кремния (магнетронный) 1.00 3.40
1.34 3.12
Алюминий + 4% меди (магнетронный) 1.02 2.85
1.57 2.66
высокое качество покрытия ступеньки оксида и быть устойчивой к электромиграции [10].
Для СБИС с проектными нормами до 0.25— 0.35 мкм алюминиевая металлизация будет являться основным проводниковым материалом для формирования многоуровневой коммутации с межслойной изоляцией как на основе 8Ю2, так и других диэлектриков [11].
АЛЮМИНИЕВАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
Алюминиевая металлизация характеризуется следующими основными достоинствами: хорошей адгезией к различным технологическим слоям, в том числе к 81 и 8Ю2; радиационной стойкостью; достаточно высокой устойчивостью к электромиграции; низким удельным сопротивлением; обеспечивает присоединение внутренних выводов различными методами сварки и др. Вопросам применения алюминия и его сплавов в технологии металлизации ППИ посвящено большое количество публикаций, как в отечественной, так и иностранной литературе. В работе [8] проведен анализ различных методов получения пленок алюминия. Удельное сопротивление алюминиевых пленок толщиной около 1.0 мкм при комнатной температуре составляет 2.7—3.3 мкОм • см, что практически совпадает с объемным удельным сопротивлением металла.
Развитие технологии производства ППИ в настоящее время осуществляется в направлении уменьшения размеров приборов и увеличения плотности упаковки на кристалле и уровня интеграции схем, что вызывает необходимость уменьшения ширины металлических пленок, используемых в качестве межсоединений. Однако от ширины пленочной металлизации зависит среднее время наработки на отказ, обусловленное электродиффузией. С уменьшением ширины пленок уменьшается и среднее время отказа.
Известно [11], что при создании межсоединений на основе алюминия и его сплавов в основном используется осаждение в режиме заливки, т.е. когда температура подложки превышает половину температуры плавления осаждаемого металла. Реализация процесса заливки проводится при определенных соотношениях между температурой подложки, скоростью и режимами потока осаждаемого металла. Данная технология процесса является основой двухстадийного процесса при магнетронном распылении. Первая стадия заключается в нанесении затравочного слоя при температуре подложки 100°С с хорошей адгезией к подложке и мелким зерном. Вторая стадия проводиться при температуре 500°С с умеренной скоростью распыления (при диаметре подложки 200 мм и расстоянии от магнетрона 50 мм, скорость распыления 1.0—1.2 мкм/мин). При магнетронном распылении алюминиевых сплавов, содержащих 81 более 1% и Си более 2%, наблюдается неравномерное распределение этих компонентов по толщине пленки (примесь вытесняется к поверхности покрытия). Это явление устраняется дополнительным отжигом. Сопротивление легированных медью
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.