МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 3, с. 180-201
= ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ =
УДК 621.382
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВНУТРИКРИСТАЛЬНЫХ И МЕЖКРИСТАЛЬНЫХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ СОВРЕМЕННЫХ СБИС
(ОБЗОР, КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ)
© 2015 г. А. С. Валеев1, Г. Я. Красников2
1ОАО "НИИМЭ" 2ОАО "НИИМЭ и МИКРОН" E-mail: avaleev@mikron.ru, gkrasnikov@mikron.ru Поступила в редакцию 16.04.2014 г.
Выполнен анализ технологических операций при изготовлении многоуровневых межсоединений современных СБИС методом Двойной Дамасцен и выделены проблемные операции. 1) Травление пористой внутриуровневой изоляции с ультра низким значением диэлектрической постоянной. 2) Нанесение металлических барьерного и зародышевого слоев на пористую поверхность вытравленных диэлектрических пористых промежутков, в которых будут формироваться медные проводники. 3) Низкая механическая прочность диэлектрических пористых промежутков между медными проводниками. 4) Недостаточная устойчивость медных проводников к отказам из-за электромиграции. 5) Быстрое увеличение удельного сопротивления медных проводников с уменьшением их ширины и ограниченные возможности компенсации этого явления при увеличении высоты проводников. Предложены возможные пути решения этих проблем: вначале изготавливаются горизонтальные медные проводники и далее в промежутки между проводниками встраивается пористый диэлектрик, используя золь—гель метод ХНР (химическое нанесение из растворов на центрифуге). Горизонтальные медные проводники можно изготовить используя метод стандартного одинарного Дамасцена, встраивая медные проводники внутрь временной маски, которая далее удаляется и заменяется пористым диэлектриком. В другом способе можно использовать локальное электрохимическое осаждение медных проводников, если на поверхность пластины предварительно нанести барьерный (БС) и зародышевый (ЗС) слои и на их поверхности сформировать временную маску с рисунком горизонтальных проводников вскрытую до поверхности зародышевого слоя. При этом способе осаждения медные проводники сразу после осаждения имеют текстурированную кристаллическую структурту, что упрощает получение удлиненных кристаллитов при последующей термической рекристаллизации, а поверхности проводников также локальным электрохимическим способом могут быть покрыты металлическим барьерным слоем, например из CoWP. Далее слои БС и ЗС удаляются. Аналогично, в промежутки между медными проводниками встраивается пористый диэлектрик с ультранизким значением диэлектрической постоянной. Рассматривается также следующий этап формирования межсоединений при создании многокристальных СБИС методом ЗД вертикальной сборки утонённых кристаллов, соединяя их между собой медными проводниками, пронизывающими насквозь кристаллы чипов способом ЗД ТСВ (3D TSV-through substrate via). С целью повышения отвода тепла от таких сборок и повышения механической прочности соединения кристаллов, одновременно с заполнением медью сквозных отверстий в кристаллах и формированием на их поверхностях микро бампов, их торцевые поверхности также покрываются медной пленкой и материалом микро бампов над поверхностью кристаллов.
DOI: 10.7868/S0544126915030084
1. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ СБИС
За сравнительно короткое, в историческом плане, время технология изготовления интегральных микросхем прошла огромный путь развития. В настоящее время бурное развитие технологии СБИС (Сверх больших интегральных схем) продолжается, Основными двигателями такого развития являются все возрастающие требования к техническим характеристикам СБИС. По круп-
ному технологический процесс изготовления СБИС можно разделить на два этапа: первый этап это изготовление транзисторной структуры, который включает изготовление массивов транзисторов, диодов, резисторов и ряда других специальных компонент. На втором этапе вся эта огромная масса электронных компонент многоуровневыми проводниками объединяется в сверхбольшую интегральную микросхему. Сложность функций, которые выполняет СБИС постоянно увеличивается, поэтому увеличивается и сложность интеграль-
ных микросхем. Процесс изготовления одного кристалла микросхемы включает выполнение нескольких сотен отдельных технологических операций. Все эти операции включают в себя много других более мелких операций, например, таких как захват пластин, их перемещение, установка в технологический объем, установка и контроль выполнения на данной операции технологических режимов. Все это можно успешно выполнить только имея комплекс сложнейшего автоматизированного оборудования. Все возрастающие требования к функциональным возможностям и техническим характеристикам СБИС, таким, например, как число компонент на одном кристалле, потребляемая мощность, скорость передачи сигнала, эксплуатационная надежность и т.д. в еще большей степени усложняют технологию изготовления СБИС. Каждый из двух этапов изготовления СБИС имеет свои технологические особенности и свои проблемы. В данной работе будут рассмотрены особенности технологического процесса изготовления .многоуровневых межсоединений элементов СБИС, возникающие при этом проблемы и некоторые пути их решения. В современных микросхемах число уровней проводников достигает десяти и более, все уровни проводников изготавливаются практически повторением одной и той же последовательности операций. Несмотря на это значимость этапа изготовления межсоединений очень велика. Во-первых, число операций при изготовлении межсоединений в настоящее время практически приблизилось к числу операций при изготовлении транзисторной структуры, но главное состоит в том, что дефектность созданная на этапе изготовления межсоединений губит годные транзисторные структуры сформированные на предыдущем этапе. По оценкам фирмы МоуеПиз, стоимость кристалла на ~70% определяется процессом изготовления межсоединений. Быстродействие СБИС в основном также определяется задержкой сигнала в системе многоуровневой металлизации. Потребляемая мощность и эксплуатационная надежность также во многом определяются системой многоуровневой металлизации. Увеличение степени интеграции СБИС путем увеличения размера кристалла имеет экономические ограничения из-за снижения выхода годных, а также из-за необходимости включения в СБИС кристаллов изготавливаемых по различным технологиям, поэтому непрерывный рост потребности в увеличении степени интеграции СБИС и необходимости создания высококачественных интегрированных электронных систем, создали предпосылки для интенсивного развития технологии изготовления многокристальных СБИС методом вертикальной сборки. Основные усилия в настоящее время направлены на развитие технологии соединения кристаллов,
расположенных по вертикали друг над другом, с помощью медных вертикальных проводников насквозь пронизывающих утоненные кремниевые кристаллы. В зарубежной технической литературе эта технология называется 3Д TSV (throughsub-stratevia), на русском языке будем называть ее 3Д ТСВ. В то же время оптимальное соединение в СБИС разнородных кристаллов и проблемы отвода тепла потребовали развития технологии плотной сборки кристаллов на отдельной пластине, названной Interposer (на русском языке будем называть эту пластину Интерпозер), а всю совокупность такой сборки назвали 2.5 Д.
На рис. 1 [2] показан более полный схематический макет многокристальной СБИС с Интерпозером. В центре она содержит многокристальную микросхему, изготовленную по 3Д ТСВ сборке, а по бокам однокристальные микросхемы. Interposer представляет из себя кремниевую пластину с системой двухсторонней, в общем случае, многоуровневой металлизацией. Одно и многокристальные микросхемы могут присоединяться к Интерпозеру с обоих сторон. Соединение системы многоуровневой (одноуровневой) металлизации на одной и другой сторонах Интерпозера осуществляется посредством проводников пронизывающих кремниевую пластину по техпроцессу ТСВ.
Использование этой технологии считается следующим шагом в усовершенствовании технологии межсоединений СБИС.
В то же время имеется много проблем и в технологии создания межсоединений внутри кристалла. Ниже будут показаны возможные пути усовершенствования технологии создания межсоединений внутри кристалла а также в процессе изготовления многокристальных СБИС с использованием усовершенствованной технологии ТСВ.
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СОЗДАНИЯ ВНУТРИКРИСТАЛЬНОЙ
МНОГОУРОВНЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ
В настоящее время в мире сосуществуют две технологии многоуровневой металлизации, которые различаются материалом проводников: а) алюминиевая и б) медная.
В табл. 1 приводятся несколько упрощенные технологические маршруты изготовления одного уровня горизонтального (ГП) и вертикального (ВП) проводников алюминиевой, два варианта медной ДД и два варианта альтернативной медной металлизаций.
Процесс изготовления алюминиевой металлизации (табл. 1, колонка 1) включает нанесении на плоскую поверхность пластины сплошной пленки алюминия, селективным плазмохимическим травлением изготовление алюминиевых горизон-
(а)
Чип
Чип Чип
Подложка Подложка
Подставка
С
- 81 интерпозер
Подложка
Подставка
Кристалл для оценки механического напряжения ТЯУ: 15 мкм
(б)
Фаза-1 3D Интеграция тестового носителя
Кристалл для оценки
нагрева Т8У: 15 мкм
100 мкм
100 мкм 80 мкм
1 мм Органическая подложка
350 мкм
шпшпшш
Бампы
1.2 мм
Печатная плата
Рис. 1. Процесс уплотнения многокристальной микросхемы (а) при использовании кремниевой пластины Интерпозер [1]. Многокристальная микросхема (б), включающая единичные кристаллы и многокристальные ТСВ сборки, собранные на кремниевом кристалле Интерпозер [2].
тальных проводников, нанесение диэлектрических слоев (ДС) и формирование планаризован-нойвнутриуровневой изоляции (ВУИ) и меж-уровневой изоляции(МУИ).
Над горизонтальными проводниками в определенных местах межуровневой изоляции, вытравливаются вертикальные отверстия (ВО), на поверхность пластины и на стенки отверстий наносится барьерный и адгезионный слой ТТЫ (БС), далее отверстия газофазным осаждением заполняются вольфрамом.
С поверхности пластины пленки W и ТШ удаляются методом химико-механической полировки
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.