eng
Содержание
Предисловие ............................................................................................................. 11
Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой
металлизации .......................................................................................................... 17
1.1.
Краткая история развития технологии формирования
многоуровневой металлизации интегральных микросхем ....................... 17
1.2.
Основные требования к многоуровневой металлизации ......................... 20
1.3.
Особенности технологии формирования металлизации
на основе алюминия ................................................................................... 22
1.3.1.
Эффекты взаимодействия алюминия с кремнием ........................... 22
1.3.2.
Особенности морфологии пленок металлических
межсоединений ................................................................................. 26
1.3.3.
Эффекты массопереноса ................................................................... 27
1.3.4.
Технологические особенности операции заполнения
металлом контактных окон .............................................................. 31
1.4.
Особенности технологии нанесения металлизации
на основе меди ............................................................................................ 35
1.5.
Особенности технологического маршрута формирования
3
D-межсоединений .................................................................................... 44
Глава 2. Разделение пластин на кристаллы и их сборка в корпус ......................... 58
2.1.
Разделение пластин на кристаллы ............................................................. 58
2.1.1.
Технологии и методы резки пластин ................................................ 58
2.1.2.
Скрайбирование полупроводниковых пластин .............................. 60
2.1.3.
Типовое оборудование для резки пластин ....................................... 66
2.2.
Технологические методы монтажа кристаллов в корпуса
микросхем ................................................................................................... 68
2.2.1.
Монтаж кристаллов эвтектическими припоями или клеями.......... 68
2.2.2.
Монтаж кристаллов в корпусах легкоплавкими припоями ............. 71
2.2.3.
Основные технологии автоматизированного монтажа
кристаллов в корпусах вибрационной пайкой ................................ 73
2.3.
Контроль качества сборочных операций .................................................. 75
2.4.
Технологии и методы микромонтажа интегральных микросхем ............. 81
2.4.1.
Базовые конструктивно-технологические решения проблемы
микромонтажа изделий микроэлектроники .................................... 81
2.4.2.
Особенности технологии термокомпрессионной
микросварки...................................................................................... 85
2.4.3.
Особенности технологии ультразвуковой микросварки ................. 87
2.4.4.
Особенности технологии термозвуковой микросварки .................. 91
2.5.
Важные технологические особенности использования золота
и алюминия при сборке мощных СВЧ-транзисторов ............................... 92
2.6.
Технологическое оборудование и инструменты для сборочных
операций ..................................................................................................... 98
2.7.
Технологии монтажа жесткими объемными выводами ...........................105
4
Содержание
Глава 3. Пайка и сварка в производстве микросхем
и полупроводниковых приборов ...........................................................................113
3.1.
Основы технологии пайки ........................................................................113
3.2.
Технологические методы организации процесса пайки
в полупроводниковом производстве .........................................................115
3.3.
Особенности проведения контактно-реактивной пайки ........................117
3.4.
Метод пайки эвтектическими сплавами ..................................................118
3.5.
Технологические особенности пайки электродных выводов ..................120
3.6.
Пайка деталей корпусов полупроводниковых приборов .........................120
3.7.
Рекомендации по выбору материалов припоев и флюсов
для пайки....................................................................................................126
3.8.
Оборудование для пайки ...........................................................................130
3.8.1.
Оборудование для эвтектической пайки кристаллов .....................130
3.8.2.
Оборудование для пайки корпусов ..................................................132
3.9.
Технологии сварки в производстве полупроводниковых
приборов и микросхем ..............................................................................133
3.9.1.
Термокомпрессионная сварка .........................................................134
3.9.2.
Ультразвуковая сварка ......................................................................137
3.9.3.
Микроконтактная сварка .................................................................138
3.9.4.
Диффузионная сварка ......................................................................140
3.10.
Методы контроля качества и надежности паяных соединений ............141
Глава 4. Технологии и методы защиты арматуры на сборочных операциях ........149
4.1.
Назначение защитных покрытий .............................................................149
4.2.
Технология химической обработки полупроводниковых структур
перед защитой ............................................................................................151
4.3.
Защита с помощью лаков, эмалей и компаундов ....................................153
4.4.
Защита поверхности методом силанирования .........................................161
4.5.
Защита полупроводниковых кристаллов стеклянными пленками
сложного состава .......................................................................................163
4.6.
Защита полупроводниковых структур пленками нитрида кремния .......166
4.7.
Защита полупроводниковых структур методом обволакивания .............169
4.8.
Защита полупроводниковых структур методом свободной
заливки .......................................................................................................170
Глава 5. Герметизация и контроль герметичности корпусов
интегральных микросхем .......................................................................................176
5.1.
Герметизация корпусов сваркой ...............................................................176
5.1.1.
Герметизация холодной сваркой ......................................................176
5.1.2.
Герметизация электроконтактной сваркой .....................................179
5.1.3.
Герметизация корпусов сваркой ......................................................181
5.1.4.
Особенности герметизации корпусов методом
шовно-роликовой сварки ................................................................186
5.2.
Герметизация корпусов пайкой ................................................................193
5.3.
Герметизация корпусов пластмассами .....................................................196
5.4.
Бескорпусная герметизация ......................................................................202
Содержание 5
5.5.
Методы контроля герметичности корпусов микросхем ..........................203
5.6.
Основные причины коррозии алюминиевых проводников
и контактных площадок загерметизированных приборов .......................205
Глава 6. Конструктивно-технологические характеристики и методы
формирования корпусов для микроэлектронных изделий ..................................211
6.1.
Классификация корпусов для сборки изделий интегральной
микроэлектроники ....................................................................................211
6.2.
Основные требования к конструкции корпусов ......................................219
6.3.
Металлокерамические корпуса .................................................................220
6.4.
Металлостеклянные корпуса ....................................................................224
6.5.
Пластмассовые корпуса ............................................................................229
6.6.
Корпуса чашечного типа ...........................................................................235
6.7.
Пластмассовые корпуса с открытой полостью ........................................236
6.7.1.
Особенности пластмассовых корпусов с открытой полостью .......236
6.7.2.
Типы и материалы пластмассовых корпусов с открытой
полостью ..........................................................................................238
6.7.3.
Технология изготовления СВЧ-корпуса с открытой полостью ........243
6.7.4.
Пластмассовые корпуса с открытой полостью
для ИС и датчиков ...........................................................................245
6.7.5.
Результаты испытаний пластмассовых корпусов
с открытой полостью .......................................................................247
6.8.
Особенности применения микросхем в пластмассовых
корпусах в системах военного и космического назначения ....................249
6.8.1.
Краткая история вопроса .................................................................249
6.8.2.
Достоинства и недостатки коммерческих интегральных
микросхем в пластиковых корпусах ................................................251
6.8.3.
Система оценки качества микросхем в пластиковых
корпусах............................................................................................252
6.9.
Особенности технологии заливки в пластик при герметизации
интегральных микросхем ..........................................................................255
6.9.1.
Введение в проблему ........................................................................255
6.9.2.
Сравнительный анализ достоинств и недостатков
технологии герметизации в пластиковые корпуса ........................256
6.9.3.
Возможные технологические дефекты и методы их устранения......258
6.9.4.
Особенности проектирования и изготовления
технологической оснастки ..............................................................259
6.9.5.
Технологическое оборудование для сборки в пластиковые
корпуса .............................................................................................262
6.10.
Особенности технологии изготовления металлокерамических
корпусов на заводе полупроводниковых приборов (АО «ЗПП») ...........263
Глава 7. Базовые технологии микромонтажа электронных устройств .................271
7.1.
Состояние и перспективы развития технологий корпусирования
микросхем ..................................................................................................271
7.1.1.
В качестве введения в проблему ......................................................271
6
Содержание
7.1.2.
Основные тенденции развития технологий корпусирования ........275
7.1.3.
Тенденция уменьшения шага выводов корпусов микросхем .........278
7.2.
BGA-технология сборки кристаллов ........................................................283
7.3.
CSP-технология монтажа кристаллов на плату .......................................287
7.4.
WLP-технология сборки на пластине .......................................................289
7.5.
Многокристальные модули и печатные платы ........................................294
7.6.
Особенности сборки 3D-изделий с использованием
технологии flip-chip ...................................................................................301
7.7.
Технологические особенности использования клеевых соединений
в процессе 3D-сборки ................................................................................303
7.8.
Основные технологии корпусирования СВЧ-приборов .........................308
7.8.1.
Корпусирование мощных СВЧ-транзисторов ................................308
7.8.2.
Корпусирование СВЧ-микросхем ...................................................313
7.8.3.
Технология корпусирования СВЧ-приборов на основе
многослойной керамики (LTCC) ....................................................314
7.8.4.
Технологии корпусирования микроволновых монолитных
СВЧ-микросхем на пластине ..........................................................318
7.9.
Конструкции корпусов микросхем со встроенной
радиационной защитой .............................................................................325
7.9.1.
Использование специальных материалов в конструкции
корпусов с интегрированными элементами
радиационной защиты .....................................................................325
7.9.2.
Результаты экспериментальных исследований материалов
для встроенных экранов радиационной защиты корпусов
микросхем ........................................................................................330
7.9.3.
Конструкции корпусов для радиацио-нностойких микросхем
на основе композитного материала W–CU ....................................334
7.10.
Методы повышения надежности паяных соединений
поверхностного монтажа .........................................................................335
7.10.1.
Переход от тестирования к надежностному
проектированию ............................................................................335
7.10.2.
Краткая характеристика полей нагрузок, возникающих
в процессе эксплуатации ...............................................................338
Глава 8. Конструктивно-технологические особенности монтажа
силовых модулей ....................................................................................................347
8.1.
Маломощные силовые модули .................................................................347
8.1.1.
Силовые модули серии SEMITOP ...................................................347
8.1.2.
Конструктивно-технологические особенности
модулей SEMITOP ...........................................................................349
8.1.3.
Технологические особенности монтажа силовых
модулей SEMITOP ...........................................................................352
8.1.4.
Монтаж модулей SEMITOP Е1/Е2 с выводами под пайку .............354
8.1.5.
Монтаж модулей SEMITOP Е1/Е2 с выводами
под прессовую посадку ....................................................................357
Содержание 7
8.2.
Типовые конструкции силовых модулей ..................................................359
8.2.1.
DCB (Direct Copper Bonding) ...........................................................359
8.2.2.
AMB (Active Metal Brazing)...............................................................360
8.2.3.
IMS (Insulated Metal Substrate) .........................................................361
8.2.4.
TFC (Thick Film Cooper) ..................................................................361
8.3.
Особенности выбора конструкций корпусов для устройств силовой
электроники на основе широкозонных полупроводников ......................362
8.3.1.
Технология сборки с использованием корпусов BSC и TSC ..........362
8.3.2.
Особенности конструкции корпусов для высоковольтных
силовых модулей ..............................................................................369
Глава 9. Теоретические основы, стандарты и экспериментальные методы
измерения теплового сопротивления полупроводниковых приборов
и микросхем ...........................................................................................................374
9.1.
Основные физические ограничения, которые необходимо
учитывать при проектировании полупроводниковых устройств ............374
9.2.
Пути решения проблемы эффективного отвода избыточной
тепловой энергии от активной структуры полупроводникового
кристалла....................................................................................................378
9.3.
Тепловые характеристики полупроводниковых приборов ......................381
9.3.1.
Популярное описание сущности тепловых процессов
в полупроводниковых приборах......................................................381
9.3.2.
Что такое тепловое сопротивление? ................................................383
9.3.3.
Методы измерения температуры переходов ...................................386
9.4.
Основные принципы калибровки испытуемого устройства ...................390
9.4.1.
Стандартная процедура калибровки полупроводникового
устройства ........................................................................................390
9.4.2.
Выбор численного значения величины измерительного тока .......391
9.4.3.
Необходимость обеспечения температурного равновесия
при калибровке ................................................................................392
9.4.4.
Выбор среды для калибровки полупроводниковых устройств .......393
9.5.
Практическое применение концепций теплового сопротивления .........395
9.5.1.
Введение в проблему.........................................................................395
9.5.2.
Измерение эталонных температур с помощью термопар ...............398
9.5.3.
Не всеми международными стандартами можно
пользоваться, или некоторые специфичные методы
измерения теплового сопротивления .............................................399
9.6.
Особенности организации управления мощностью нагрева
при температурных испытаниях ...............................................................400
9.6.1.
Особенности организации процесса управления
мощностью нагрева полупроводникового устройства ...................400
9.6.2.
Основные технические требования к организации
управления величиной мощности нагрева .....................................403
9.7.
Типы испытательных устройств и основные методы
температурных испытаний ........................................................................405
8
Содержание
9.7.1.
Термический испытательный кристалл ...........................................405
9.7.2.
Активные кристаллы ........................................................................406
9.7.3.
Термочувствительные параметры для различных типов
полупроводниковых приборов ........................................................411
9.8.
Стандартные методы измерения тепловых характеристик
полупроводниковых устройств .................................................................413
9.8.1.
Основные компоненты теплового импеданса
полупроводниковых приборов ........................................................413
9.8.2.
Методы измерения тепловых характеристик
полупроводниковых приборов ........................................................419
9.8.3.
Физическая интерпретация результатов измерения
характеристики нагрева ...................................................................420
9.8.4.
Особенности процедуры измерения импедансов
полупроводниковых приборов ........................................................421
9.8.5.
Перспективы применения тепловых измерений
в полупроводниковой промышленности ........................................423
9.9.
Методы измерения теплового сопротивления для гибридных
и многокристальных полупроводниковых устройств ..............................425
9.9.1.
Введение в тему измерений многокристальных устройств ............425
9.9.2.
Метод линейной суперпозиции .......................................................425
9.9.3.
Применение метода суперпозиции для анализа
теплового сопротивления ................................................................427
9.9.4.
Ограничения и источники погрешностей .......................................429
9.9.5.
Описание основных этапов процесса тепловых
исследований ...................................................................................429
9.10.
Стандартное технологическое оборудование для тестирования
микросхем в диапазоне температур ........................................................430
Глава 10. Тестирование микроэлектронных устройств: концепции,
методы и инструменты ...........................................................................................445
10.1.
Введение в проблему ...............................................................................445
10.1.1.
Термины и определения в области тестирования микросхем ......445
10.1.2.
Причины, виды и механизмы отказов ...........................................452
10.2.
Дорожная карта гетерогенной интеграции IEEE ...................................455
10.3.
Табличное представление основных проблем тестирования
микроэлектронных устройств на период до 2040 г. ................................457
10.4.
Тенденции, проблемы и перспективы тестирования логических
устройств ..................................................................................................459
10.4.1.
Тенденции увеличения количества тестовых наборов ..................459
10.4.2.
Логический тест больше не является ключевым фактором,
определяющим время тестирования .............................................462
10.4.3.
Искусственный интеллект и логическое тестирование ................464
10.4.4.
Возвращение функциональных испытаний ..................................465
10.4.5.
Тестирование на месте эксплуатации – внутрисистемное
тестирование ..................................................................................466
Содержание 9
10.5.
Тестирование микросхем памяти ............................................................468
10.5.1.
Динамика изменений требований к тестированию памяти
за период 2018–2031 г.....................................................................468
10.5.2.
Тестирование DRAM ......................................................................469
10.5.3.
Тестирование микросхем флеш-памяти ........................................470
10.5.4.
Тестирование встроенной памяти ..................................................471
10.6.
Тестирование специализированных микросхем ....................................471
10.6.1.
Тенденции развития специальных технологий
на пятилетний период ...................................................................471
10.6.2.
Основные задачи и проблемы тестирования
специализированных микросхем ..................................................474
10.7.
Проблемы и тенденции тестирования аналоговых и смешанных
микросхем ................................................................................................479
10.7.1.
Основные тенденции тестирования аналоговых микросхем........479
10.7.2.
Ключевые тенденции тестирования аналоговых
и смешанных микросхем ...............................................................483
10.8.
Технологии зондового контроля кристаллов на пластинах ...................487
10.8.1.
Особенности технологий зондового контроля кристаллов
на пластинах ...................................................................................487
10.8.2.
Особенности технологии изготовления зондов для испытаний
микросхем на пластинах ................................................................495
10.9.
Тестирование микроэлектронных изделий на уровне системы .............510
10.9.1.
Введение .........................................................................................510
10.9.2.
Тенденции к введению SLT ............................................................512
10.9.3.
Концепции и технологии реализации SLT ....................................513
10.9.4.
Основные проблемы при использовании SLT и пути
их решения .....................................................................................517
10.9.5.
Методы улучшения технологий SLT ..............................................518
10.9.6.
Перспективы развития новых приложений технологии SLT .......523
Глава 11. Базовое технологическое оборудование для сборки микросхем ..........526
11.1.
Базовое технологическое оборудование иностранных
производителей ........................................................................................526
11.1.1.
Сборка микросхем и МЭМС ..........................................................526
11.1.2.
Герметизация металлокерамических корпусов .............................530
11.1.3.
Сборка компонентов по технологии flip-chip ...............................532
11.2.
Базовое технологическое оборудование отечественных
производителей ........................................................................................535
11.2.1.
Установка вибрационной эвтектической пайки кристаллов
ЭМ-4075А-1 ...................................................................................535
11.2.2.
Установка присоединения выводов методом ультразвуковой
сварки ЭМ-4341 .............................................................................537
11.2.3.
Установка присоединения выводов ЭМ-4341-1 ............................538
11.2.4.
Многофункциональная автоматическая установка
многоуровневого присоединения выводов ЭМ-4550 ...................540
10
Содержание
11.2.5.
Установки монтажа на клей кристаллов монтажа
ЭМ-4605-3 ......................................................................................543
11.2.6.
Автоматизированная установка контроля прочности
ЭМ-6705 .........................................................................................545
11.2.7.
Автоматическая установка присоединения выводов
ЭМ-4520 методом «клин – клин» для систем в корпусе ..............547
11.2.8.
Многофункциональная установка монтажа и контроля
выводов ЭМ-6705М .......................................................................548
11.2.9.
Автоматическая установка монтажа кристаллов
для 2,5D-интеграции ЭМ-4615 .....................................................551
Используемые термины и обозначения ....................................................................554
Предисловие
Предлагаемая вниманию читателей книга ориентирована на достаточно широкую
аудиторию – от студентов, аспирантов и преподавателей технических вузов, спе-
циализирующихся в области микроэлектроники, до инженеров – разработчиков
микросхем и электронных систем на их основе, инженеров-технологов сборочных
производств, сотрудников исследовательских лабораторий и академических инсти-
тутов, руководителей предприятий радиоэлектронной отрасли.
Такой широкий диапазон целевой аудитории книги обусловлен предметом ав-
торского исследования – анализом современного состояния, тенденций, методов
и инструментов развития одного из фундаментальных направлений современной
микроэлектроники – технологий корпусирования (сборки) микросхем и полупро-
водниковых приборов.
Благодаря развитию технологий человечество постоянно продвигается к новым
вехам, называемым в технологической истории «промышленные революции». Если
первая промышленная революция ознаменовалась использованием для нужд произ-
водства энергии пара и воды, вторая – массовым распространением конвейерного
производства с применением уже электрической энергии, третья – внедрением
автоматических компьютерных систем, то век XXI характеризуется уже четвертой
промышленной революцией, получившей название «Индустрия 4.0».
Этот этап развития характеризуется очевидным усилением лидирующей роли
микроэлектроники в развитии научно-технического прогресса. Более того, в по-
следнее десятилетие микроэлектроника является и явным лидером в области
конвергенции (взаимного проникновения различных научно-технических на-
правлений), обеспечивая технологический базис (основу) для развития различных
отраслей, начиная с энергетики, машиностроения, систем связи и навигации,
банковской системы, космического приборостроения, систем вооружения и во-
енной техники и т.д.
Обострение геополитической ситуации, бесславный конец эры глобализации
экономики, санкции и запреты на поставки высоких технологий и практически
всех типов микросхем и полупроводниковых приборов в Россию и Беларусь при-
дали новый импульс развитию отечественной микроэлектроники. Только развитие
собственного производства микроэлектронных приборов, модулей и систем может
обеспечить реальную безопасность независимого государства в целом, безопас-
ность национальной экономики и обороноспособность как основы государствен-
ности.
Правительства России и Беларуси, понимая приоритетность решения этой
задачи для обеспечения национальной безопасности, ежегодно выделяют не-
обходимые материальные и финансовые ресурсы, но эти ресурсы пока не могут
обеспечить в полной мере решение одной из ключевых проблем – подготовки
инженерных кадров – специалистов по проектированию (дизайнеров) и по орга-
низации серийного производства (инженеров-технологов) современных микро-
электронных приборов.
На момент выхода в свет этой книги в высших учебных заведениях России
и Беларуси, имеющих собственное полупроводниковое производство и со-
12 Предисловие
ответствующую инфраструктуру (вузы, исследовательские центры, академические
институты), ведется целевая подготовка студентов, аспирантов и магистрантов бо-
лее чем по 50 специальностям, непосредственно связанным с полупроводниковой
промышленностью.
В зависимости от основной специализации по будущему месту работы молодого
специалиста в области микроэлектроники все известные учебные курсы ориентиро-
ваны на две условные категории: инженеры-технологи и инженеры-разработчики.
Это деление весьма условно, но широко используется в практической деятельности.
Так, инженеры-технологи обычно занимаются разработкой технологических марш-
рутов и непосредственно организацией управления технологическими процессами
в серийном производстве, а инженеры-разработчики (дизайнеры) занимаются
проектированием различных полупроводниковых изделий, которые затем будут
изготовлены в этом серийном производстве.
Как показывает опыт авторов, много лет работающих в полупроводниковой
отрасли, после получения диплома вуза бывшему студенту необходимо проработать
в коллективе не менее 3–4 лет, чтобы стать инженером-разработчиком, способным
самостоятельно выполнять проекты по разработке интегральных микросхем сред-
ней степени сложности.
А чтобы стать действительно квалифицированным инженером-технологом,
способным самостоятельно решать вопросы увеличения процента выхода годных
изделий, повышения их надежности, разработки новых технологических марш-
рутов изготовления современных микроэлектронных изделий, требуется 5–7 лет
практической работы в коллективе после окончания вуза.
Такая ситуация обусловлена двумя основными факторами – спецификой
профессии инженера-технолога и недостатком адекватных тематике учебников и
учебных пособий
Особенность профессии заключается в том, что квалифицированному специ-
алисту в этой сфере действительно необходимо обладать исключительно широким
кругозором знаний – физики твердого тела, химии (электрохимия, плазмохимия),
математики, физики, электротехники, оптики, теории планирования многофак-
торных экспериментов при поиске оптимальных условий, современных методов
математического и статистического анализа, владеть практическими навыками
применений сложного аналитического оборудования (ИК-спектрометрия, оже-
спектрометрия, растровая электронная микроскопия, эллипсометрия, атомная
силовая микроскопия) и многим другим.
Однако общим для всех этих различных групп и специализаций инженеров
является то, что все они должны глубоко понимать суть выполняемых процессов,
знать физические принципы построения и особенности работы многочисленного
технологического и испытательного оборудования, хорошо разбираться в аналити-
ческом оборудовании и современных методах анализа, хорошо знать и использовать
в своей работе основные физические модели многочисленных технологических
операций.
В качестве наиболее удачного примера зарубежного учебного пособия для
студентов и специалистов в области полупроводниковой технологии можно при-
вести фундаментальный труд Semiconductors: Technical Information, Technologies and
Предисловие 13
Characteristic Data, опубликованный издательством Wiley в Германии в 2000 г. и вы-
державший более десяти актуализированных изданий.
Это издание было подготовлено штаб-квартирой одного из мировых лидеров
в области полупроводниковой технологии и ее применений – фирмы Infinion
Technologies AG, и представляет собой фактически универсальное справочное по-
собие для ученых и инженеров, специализирующихся в области высоких техноло-
гий полупроводниковых изделий, состоящее из отдельных глав по конкретным
направлениям, подготовленных большим автор ским коллективом ученых и
специалистов с мировым именем под общей редакцией председателя правления
этой крупнейшей международной корпорации профессора Ульриха Шумахера.
Несомненным достоинством этой книги является то, что авторы в пределах одной,
хотя и достаточно объемной монографии сумели талантливо изложить в ней все
современные тенденции, веяния и достижения в области полупроводниковых
технологий.
Очевидно, что в рамках только одного учебника или учебного пособия прак-
тически невозможно охватить все аспекты знаний, необходимых для подготовки
как инженера-дизайнера, так и инженера-технолога.
Поэтому по нашей инициативе в 2020 г. в издательстве «Техносфера» вы-
шла в свет книга «Основы проектирования субмикронных микросхем» (авторы
Белоус А.И., Красников Г.Я и Солодуха В.А.), материалы которой широко ис-
пользуются в учебных курсах по подготовке будущих отечественных инженеров-
дизайнеров. С разрешения авторов в 2021 г. эта книга была издана на английском
языке в авторитетном международном издательстве Springer Nature под назва-
нием The Art and Science of Microelectronic Circuits Design (https://link.springer.com/
book/10.1007/978-3-030-89854-0) и в 2022 году по лицензированному соглашению
была опубликована издательством Пекинского технологического университета на
китайском языке.
В 2007 году в издательстве «Техносфера» вышла книга А. Медведева «Сборка
и монтаж электронных устройств», посвященная описанию технологических
процессов, материалов и оборудования, используемых в сборочно-монтажном
производстве, которая была предназначена в первую очередь для начинающих
специалистов и студентов технических вузов по специальности «конструирова-
ние и технология производства электронной аппаратуры». Эта книга приобрела
достаточно широкую популярность у читателей, поскольку была написана по
материалам зарубежной периодической печати, международных конференций и,
что важно, по результатам опыта работы наиболее высокотехнологичных на тот
момент предприятий отрасли.
За прошедший период появились новые технологии сборки и монтажа, но-
вые конструкции корпусов, новые материалы, а главное – существенно выросли
трудоемкость и сложность новых техпроцессов, их стоимость. Так, в зависимости
от назначения микросхемы и использованной технологии корпусирования доля
стоимости сборочных операций может достигать 30% и более в себестоимости
конечного изделия.
Специалисты в этой области различают два термина – «монтаж кристалла» и
«сборка микросхемы».
14 Предисловие
Монтаж и сборка – это часть общего технологического процесса изготовления
микросхемы, в результате которого получают готовую конструкцию микросхемы,
т.е. готовое изделие.
Процессы операции монтажа и сборки являются наиболее трудоемкими в
технологии производства микросхемы. Если при изготовлении кристаллов широ-
ко применяются высокопроизводительные групповые методы, то при монтаже и
сборке оперируют с каждой отдельной микросхемой.
Технологическим процессом монтажа кристаллов обычно называют совокуп-
ность операций по ориентированному разделению пластин и подложек со сфор-
мированными элементами на отдельные кристаллы или платы, присоединение их
на основаниях корпусов, посадочных площадках выводных рамок и т.д.
Технологическим процессом сборки микросхем и модулей называют совокуп-
ность операций, направленных на получение электрических соединений контакт-
ных площадок кристалла со следующим коммутирующим уровнем, т.е. с выводами
рамок, гибких носителей, оснований корпусов, либо с контактными площадками
подложек плат с последующей герметизацией (защитой кристалла от внешних
воздействующих факторов). Различают герметизацию оснований корпусов с ис-
пользованием крышки – микросхема со свободным внутренним объемом либо бес-
корпусная – формирование защитных покрытий путем заливки смонтированного
кристалла (как правило, его рабочей поверхности) специальным герметизирующим
покрытием (герметиком).
В России имеется достаточно широкий круг отечественных монографий,
справочников, учебников и учебных пособий по определенным направлениям и
областям развития современных микроэлектронных технологий, ежегодно только
в отечественной печати выходит более сотни научных статей, посвященных отдель-
ным актуальным аспектам развития полупроводниковых технологий.
В частности, можно привести фундаментальную монографию «Конструктивно-
технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов» (Красников Г.Я.,
издание 2-е, исправленное. Москва: Техносфера, 2011. – 800 с.), в которой были
детально рассмотрены особенности работы субмикронных МОП-транзисторов,
технология формирования под затворных диэлектриков, механизмы влияния техно-
логических процессов изготовления (ионного легирования, плазменной об работки,
переноса изображения) на деградацию подзатворного диэлектрика, различные
конструкции современных субмикронных МОП-транзисторов.
Понятно, что современную технологию сборки и современную конструкцию
корпусов может разработать только инженер, владеющий всеми современными
технологическими знаниями в этой сфере науки и техники и изучивший практи-
чески опыт «старших товарищей». А эти знания инженер, студент, преподаватель
может получить только двумя путями – передачей опыта от «старших товарищей»
и изучением соответствующей научно-практической и учебно-методической
литературы.
По понятным причинам (жесткая конкуренция на мировом рынке производите-
лей корпусов, санкционные ограничения) подобные публикации обычно являются
«документами для внутрифирменного пользования», а «старшее поколение», к
сожалению, не владеет всеми ноу-хау современных технологий сборки.
Предисловие 15
Более того, сегодня на первый план выходит новая проблема – тестирование
современных сложнофункциональных микросхем, систем на кристалле и систем в
корпусе. В отечественной литературе пока нет серьезных публикаций, посвященных
концепциям, методам и инструментам тестирования таких устройств.
Поэтому авторы настоящей фундаментальной монографии поставили перед со-
бой амбициозную цель – на основании сбора, систематизации и анализа отечествен-
ной и зарубежной научно-технической информации подготовить книгу, которая
являлась бы одновременно и аналитическим обзором лучших мировых достижений
в этой области микроэлектроники, и практическим руководством/справочником
(настольной книгой) для инженеров – технологов серийного производства, и учеб-
но-методическим пособием для студентов и преподавателей профильных вузов.
Насколько авторам удалось справиться с этой комплексной проблемой, решать
читателям.
Материал книги предоставлен в виде 11 тематических глав, последовательно
описывающих основные этапы технологического маршрута корпусирования – от
этапа формирования многоуровневой металлизации на кристалле до герметизации
и выходного тестирования микросхем.
Глава 1 посвящена описанию особенностей технологии формирования много-
уровневой металлизации на кристалле микросхем, поскольку именно от уровня
качества формирования этой металлизации во многом зависит и качество после-
дующих операций сборки.
ГВ главе 2 детально описываются технологии разделения пластин на кристаллы
и их подготовки к последующему корпусированию (микромонтажу).
Глава 3 посвящена описанию наиболее распространенных в мире технологий
пайки и сварки полупроводниковых приоров и микросхем. Кроме теоретических ос-
нов здесь приведены конкретные практические рекомендации – вплоть до указания
типов оборудования и режимов пайки и сварки, даны конкретные рекомендации
по выбору припоев, флюсов и т.д.
В главе 4 рассматриваются различные методы и технологии защиты арматуры
на сборочных операциях в условиях серийного производства.
Глава 5 посвящена особенностям технологии герметизации корпусов микросхем.
Здесь детально рассмотрены технологические маршруты герметизации корпусов
сваркой, пайкой, пластмассами, различные варианты бескорпусной герметизации.
Особое внимание уделено методам решения актуальной проблемы контроля гер-
метичности корпусов и причинам приборов.
В главе 6 детально рассмотрены основные конструктивно-технологические
характеристики и методы формирования различных типов корпусов для изделий
интегральной электроники, включая методические рекомендации по построению
систем оценки и управления качеством микросхем, анализ достоинств и недостатков
технологий изготовления различных типов корпусов.
Глава 7 носит обзорный характер и посвящена теоретическим и практическим
аспектам реализации базовых технологий микромонтажа современных микро-
электронных устройств.
Глава 8 посвящена вопросам конструирования и технологии изготовления
различных полупроводниковых силовых модулей, а также описанию технических
16 Предисловие
характеристик базового технологического оборудования, необходимого для орга-
низации их серийного производства.
В главе 9 изложены теоретические основы методов прецизионного измере-
ния одного из важнейших контролируемых параметров микросхем – теплового
сопротивления. Здесь же приведено описание наиболее широко используемых в
производстве экспериментальных методов измерения теплового сопротивления.
Впервые в отечественной научно-технической литературе описаны концепции,
методы, инструменты и оборудование для калибровки испытуемых устройств в
диапазоне температур.
Также впервые в отечественном издании здесь подробно рассмотрены современ-
ные методы измерения теплового сопротивления для гибридных и микрокристаль-
ных компонентов на основе принципа линейной суперпозиции, указаны основные
источники погрешностей и даны рекомендации по их снижению и компенсации.
В главе 10 также впервые в отечественной научно-технической печати на основе
данных дорожной карты гетерогенной интеграции IEEE детально рассмотрены
концепции, технологии, методы и инструменты тестирования собранных в корпус
микросхем, систем в корпусе и систем на пластине.
В главе 11 приведены технические характеристики основных типов зарубеж-
ного и отечественного оборудования, которое применяется на этапах финишной
сборки полупроводниковых приборов и микросхем различного функционального
назначения.
Благодарности
Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам – академику Нацио-
нальной академии наук Беларуси, избранному иностранному члену Российской
академии наук Лабунову В.А. и заместителю генерального директора НИИМЭ
д.т.н. Эннсу В.И., а также первому заместителю генерального директора холдинга
«ИНТЕГРАЛ» Дудкину А.И., д.т.н., профессору БГУИР Ланину В.Л., заместителю
главного технолога по сборке холдинга «ИНТЕГРАЛ» Герасимову В.А., критические
замечания и полезные советы которых во многом способствовали появлению книги
именно в этом формате.
Авторы также выражают благодарность к.т.н. Наливайко О.Ю., директору ОАО
«Планар-СО» Середе А.М., начальнику НТЦ сборочного оборудования, к.т.н.
Петухову И.Б. и ведущему специалисту фирмы «ДМТ Трейдинг» Тараканову Н.Н.
за предоставленные оригинальные текстовые и графические материалы, которые
были использованы при написании этой книги, а также Перепелице Д.В. и Кар-
ташовой Е.Н. за помощь в подготовке материалов к печати.
ÃËÀÂÀ 1
ÎÑÍÎÂÛ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÔÎÐÌÈÐÎÂÀÍÈß
ÌÍÎÃÎÓÐÎÂÍÅÂÎÉ ÌÅÒÀËËÈÇÀÖÈÈ
В основу этой главы положены материалы, предоставленные авторам
к.т.н. Наливайко О.Ю. (ОАО «ИНТЕГРАЛ», г. Минск)
1.1. Краткая история развития технологии
формирования многоуровневой металлизации
интегральных микросхем
Каждое новое поколение микросхем сопровождалось процессом уменьшения гео-
метрических размеров базовых элементов, что позволяло обеспечивать постоян-
ное увеличение количества функций интегральной схемы. Уменьшение размеров
базовых элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов) повлекло за собой
решение целого комплекса задач, связанных с необходимостью поиска новых
способов создания электрических соединений элементов в схеме и использования
большого количества слоев (уровней) металлических проводников, соединенных
между собой определенным образом. Структура современной системы металлиза-
ции микрос хем показана на рис. 1.1.
Различают шесть основных типов многоуровневой металлизации [1]:
– контактную систему к полупроводниковым областям;
– межсоединения;
Контакт к поликремнию
Пассивация
Третий уровень металлизации
Межуровневый контакт
Второй уровень металлизации
Межуровневый диэлектрик
Первый уровень металлизации
Контакт к кремнию
Рис. 1.1. Структура многоуровневой металлизации микросхемы
18 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
– слои межуровневого диэлектрика;
– межуровневые контакты;
– слой пассивации;
– контактные площадки.
Контактная система металлизации представляет собой совокупность омических
и выпрямляющих контактов к монокристаллическому и поликристаллическому
кремнию.
Межсоединения – это проводящие дорожки, состоящие из одного или несколь-
ких слоев металлических пленок и располагающиеся на одном или нескольких
уровнях системы металлизации.
Межуровневый диэлектрик – материал, электрически разделяющий межсоеди-
нения различных уровней.
Межуровневые контакты – это локальные контакты между проводниками со-
седних уровней, выполненные в слоях межуровневого диэлектрика.
Слой пассивации представляет собой диэлектрический слой, защищающий про-
водники верхнего уровня межсоединений.
Контактные площадки – расположенные по периферии кристалла участки
верхнего уровня разводки, обеспечивающие электрическую связь внутренней ме-
таллической разводки кристалла с внешними соединениями (корпусом).
Исторический период развития системы металлизации кремниевых интеграль-
ных схем можно условно разделить на четыре основных этапа.
На первом этапе металлизация ИС была одноуровневой и основу ее составлял
только один материал – алюминий (рис. 1.2). Для исключения обрывов металлизации
на рельефе активной структуры тогда использовалась операция планаризации рельефа
методом оплавлен ия легированных стекол – борофосфоросиликатного стекла (БФСС).
На втором исторческом этапе развития появляется многоуровневая металли-
зация, в которой несколько уровней (слоев) металла разделяются межуровневым
(межслойным) диэлектриком. Уровни металла соединяются между собой меж-
уровневыми контактами. Для улучшения качества второго и последующих уровней
металлизации и облегчения процессов формирования микрорисунка в этих слоях
используется специальная технология планаризации межуровневого диэлектрика
полиимидом или жидкими стеклами (Spin on Glass). Такие методы планаризации
позволяют сгладить рельеф в узких зазорах между элементами микросхемы (микро-
рельеф), при этом макрорельеф поверхности остается прежним (рис. 1.3). По такой
базовой технологии можно формировать не более трех уровней металлизации.
Контакт к кремнию
Кремний
Металл
ПКК
ПКК
Локальный окисел
Рис. 1.2. Одноуровневая металлизация на основе алюминия
1.1. Краткая история развития технологии формирования многоуровневой 19
металлизации интегральных микросхем
Поскольку при этих методах планаризации макрорельеф поверхности сохраня-
ется, это не приводит к существенным различиям в толщине межуровневого диэ-
лектрика в области межуровневых контактов и позволяет формировать контакты.
Существенной проблемой при использовании методов планаризации меж-
уровневого диэлектрика полиимидом или жидкими стеклами является сильная
зависимость характеристик процесса планаризации от топологических размеров
металлических проводников и зазоров между ними. Эта проблема обычно решается
путем разработки специальных правил проектирования топологии интегральных
микросхем, в частности использованием регулярной структуры топологии с че-
редованием металлических проводников и зазоров одинакового размера, что на
практике не всегда представляется возможным.
Еще одна проблема такой технологии – наличие органических компонентов
в полиимидах и жидких стеклах, что может вызывать деградацию межуровневых
контактов и нарушения в структуре межуровневых диэлектриков.
На этом этапе развития технологии глубина залегания p-n-переходов относи-
тельно поверхности было существенно уменьшена. Для исключения деградаци-
онных явлений в контактах к мелкозалегающим p-n-переходам использовались
контактные слои силицидов металлов, а также адгезионные и барьерные слои
тугоплавких металлов, задачей которых являлось исключение взаимодействий
алюминия со слоями силицидов, кремния, а также планаризирующими слоями
полиимидов и жидких стекол.
Значительным шагом вперед по пути совершенствования многоуровневой метал-
лизации явилось создание технологии планаризации диэлектрика химико-механиче-
ской полировкой, которая фактически ликвидирует как микро-, так и макрорельеф
поверхности, хотя при этом возникает значительная разница в глубинах контактов
к кремнию и слоям поликремния. А именно: контакты к кремнию становятся очень
«глубокими». Для заполнения таких «глубоких» контактов потребовалось создание
новой технологии формирования вольфрамовых «столбиков» в контактах (глава 6)
и специальные методы напыления контактных и барьерных слоев металлов и со-
единений, например когерентное или ионизированное магнетронное напыление
или же методы осаждения металлических пленок из газовой фазы.
Кремний
Силицид
Второй уровень металла
Первый уровень
металла
Межуровневый контакт
Слой оплавленного стекла
ПКК
Макрорельеф
поверхности
Спланированный
микрорельеф
ПКК
Локальный окисел
Рис. 1.3. Двухуровневая металлизация с планаризацией межуровневого диэлектрика
жидким стеклом
20 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Технология химико-механической полировки диэлектриков в сочетании с
вольфрамовыми «столбиками» (рис. 1.4) теоретически позволяет формировать
сколь угодно много уровней ме таллизации. На практике количество уровней огра-
ничивается дефектностью слоя, то есть технико-экономической эффективностью
производства микросхем.
Если на всех первых трех этапах развития основным материалом межсоедине-
ний являлся алюминий, то на четвертом этапе при уменьшении проектных норм
до 0,25 мкм и менее алюминий заменялся медью для уменьшения сопротивления
межсоединений и повышения быстродействия интегральных микросхем. Исполь-
зование меди потребовало существенного изменения технологических методов
формирования элементов многоуровневой металлизации, часть из этих методов
будут рассмотрены ниже.
1.2. Основные требования к многоуровневой
металлизации
Основным требованием к внутренним электрическим межсоединениям является
обеспечение минимального времени распространения сигнала в цепях микро схем.
Кремний
Силицид
Второй уровень металла
Первый уровень металла
Межуровневый контакт
(вольфрамовый столбик)
ПКК
ПКК
Разно&
высотность
контактов
Спланированный
диэлектрик
Спланированный диэлектрик
Локальный окисел
Рис. 1.4. Структура многоуровневой металлизации с планаризацией межуровневого
диэлектрика химико-механической полировкой (ХМП)
Диэлектрик Металл
R
W
LS
C
L
H
Рис. 1.5. Паразитные сопротивления и емкости в системе межсоединий интегральных
микросхем
1.2. Основные требования к многоуровневой металлизации 21
Дело в том, что в системе металлических проводников возникают дополнительные
(паразитные) элементы – сопротивления (R) и емкости (С), как упрощенно по-
казано на рис. 1.5.
Величина времени задержки сигнала в этом случае пропорциональна произ-
ведению R · C. Величина паразитного сопротивления определяется выражением
(1.1)
где ρ – удельное сопротивление металла; L, W, H – соответственно длина, ширина
и толщина металлического проводника.
Величина паразитной емкости определяется выражением
(1.2)
где ε – диэлектрическая постоянная диэлектрика; LS – ширина зазора между про-
водниками.
Тогда величину задержки распространения сигнала (τ) на проводниках метал-
лизации межсоединений можно определить из выражения
(1.3)
Поэтому для обеспечения требуемого уровня быстродействия интегральных
микросхем необходимо использовать:
– минимальное удельное сопротивление металлических проводников;
– минимальную длину линий металлических проводников;
– минимальное значение диэлектрической постоянной материала межуров-
невого диэлектрика;
– достаточно высокую температуру плавления материалов проводниковых
соединений.
Кроме того, необходимо, чтобы используемые материалы удовлетворяли целому
ряду дополнительных требований, а именно:
– высокая стойкость к электромиграции;
– механическая стабильность и высокая адгезия к сопрягаемым технологиче-
ским слоям (например к слоям межуровневого диэлектрика);
– согласованные с сопрягаемыми технологическими слоями коэффициенты
термического расширения, малые остаточные напряжения и стойкость к
стресс-миграции;
– стойкость к коррозии и низкая химическая активность;
– совместимость с сопрягаемыми технологическими слоями и процессами их
формирования;
– экологическая безопасность материалов и процессов в производстве и ути-
лизации.
Основные свойства некоторых металлов, применяемых в производстве инте-
гральных микросхем для создания проводников, приведены в табл. 1.1.
22 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Таблица 1.1. Свойства металлов, используемых в процессе формирования металлизации интегральных
микросхем [2]
Металлы и их свойства Cu Ag Au Al W
Удельное сопротивление, мкОм·см 1,67 1,59 2,35 2,66 5,65
Модуль Юнга, 10–11 дин/см2 12,98 8,27 7,85 7,06 41,1
Уде льная теплопроводность, Вт/см 3,98 4,25 3,15 2,358 1,74
Коэффициент термического расширения,
106/°C 17 19,1 14,2 23,5 4,5
Температура плавления, °C 1085 962 1064 660 3387
Теплоемкость, Дж·кг–1·К–1 38 234 132 917 138
Коррозионная стойкость Плохая Плохая Отличная Хорошая Хорошая
Адгезия к SiО2 Плохая Плохая Плохая Хорошая Плохая
Термические напряжения на Si, 107 дин/см2/°C 2,5 1, 9 1,2 2,1 0,8
1.3. Особенности технологии формирования
металлизации на основе алюминия
Алюминий многие годы оставался одновременно и контактным материалом к по-
лупроводнику, и материалом межсоединений в силу целого ряда ценных свойств,
среди которых можно выделить [1]:
– низкое удельное сопротивление (2,65 мкОм·см);
– хорошую адгезию к диэлектрикам;
– достаточно высокую коррозионную стойкость благодаря пассивирующему
его оксиду;
– способность образовывать низкоомные невыпрямляющие контакты с р+-
и n+-Si.
Недостатки алюминия определяются особенностями его физико-химического
взаимодействия со слоями Si и SiО2:
– активное взаимодействие с кремнием в области контактного окна при термо-
обработке;
– высокая подверженность электромиграции.
Ниже рассмотрим более подробно особенности этого материала.
1.3.1. Эффекты взаимодействия алюминия с кремнием
В результате анализа брака первых микросхем с минимальными размерами эле-
ментов было установлено, что основной причиной наблюдательных частых отказов
ИС с алюминиевой металлизацией стало закорачивание р-п-переходов в результате
выполнения операции термообработки.
Cистема Al–Si имеет равновесную фазовую диаграмму эвтекти ческого типа,
как показано на рис. 1.6.
Как материал А1 практически не растворяется в Si, в то время как в алюминии
может растворяться до 1,65 ат.% кремния. Эвтектика плавится при температуре
577 °C. Результатом таких взаимодействий могут быть «проколы» (короткие за-
мыкания) р-n-переходов транзисторов.
1.3. Особенности технологии формирования металлизации на основе алюминия 23
Многочисленными исследователями было экспериментально установлено,
что проколы р-n-переходов непосредственно связаны с пустотами, образующи-
мися в результате неоднородного растворения кремния в алюминии. Селективное
удаление пленки алюминия с поверхности подложки в области контактного окна
после термообработки при 470 °C в течение 30 мин. действительно обнаруживает
глубокие пустоты в кремнии (РЭМ-микрофотография на рис. 1.7). Эти пустоты
10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
вес.%
Si, вес.%
700
600
500
400
300
200
100
0
800
700
600
500
400
Si, ат.%
12,1 (12,5)
ат.%
630
610
590
570
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
660
(Al)
Al
(Al)
11,3 (11,7)
0,16 (0,17)
(Al)+Si
577
1,59
(1,69)
577,2
1414
Si
0,5 1,0 1,5 2,0
5 10 15
577
Рис. 1.6. Равновесная фазовая диаграмма Al–Si [3]
Рис. 1.7. Морфология поверхности ИС в области контактного окна после термооб-
работки при 470 °C в течение 30 минут и удаления пленки алюминия [1]
24 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
заполняются алюминием с рас творенным в нем кремнием и могут привести к ко-
роткому замыканию переходов [1].
Как показали результаты исследований, глубина проникновения алюминия
вглубь кремния, оцениваемая по глубине пустот в локальных местах области кон-
такта, практически не изменяется в диапазоне 300–500 °C и составляет 40–90 нм.
В диапазоне температур от 500 до 577 °C происходит резкий рост глубины проник-
новения до 1,25–1,45 мкм. Столь неоднородное растворение кремния и заполне-
ние образующихся пустот алюминием, а также отмеченный резкий рост глубины
проникновения алюминия вглубь кремния в диапазоне от 500 до 577 °C вызваны
появлением жидкой фазы, которая «проплавляет» кремний, хотя стандартная тем-
пература термообработки обычно ниже, чем температура плавления эвтектики [1, 6].
В работе [1] указывается, что одной из причин появления жидкой фазы при по-
ниженной температуре могут стать «локальные очаги» с температурой выше 577 °C,
необходимой для появления жидкой фазы. Указанные локальные очаги образуются
в результате сильной экзотермической реакции между алюминием и остаточным
естественным оксидом кремния:
3SiО2 + 4Аl → 3Si + 2Аl2О3. (1.4)
За счет этой реакции освобождается энергия 220 кДж на 1 моль реагирующего
оксида. Перед процессом нанесения пленки алюминия производится операция
удаления естественного оксида. Однако, как показали исследования, на поверхно-
сти кремния все же остается остаточный оксид SiOx [7], неоднородный по толщине
(0,4–3 нм) и своим свойствам. Указанный слой образуется в результате неконтро-
лируемого быстрого окисления кремния под действием атмосферного воздуха [8],
в результате чего в нем содержится достаточно большое число неконтролируемых
примесей. В итоге при термообработке на различных участках кремниевой поверх-
ности интенсивность взаимодействия пленки алюминия с остаточным оксидом
оказывается различной, вызывая локальные очаги температуры выше температуры
эвтектики. Также было экспериментально установлено, что зарождение пустот на-
чинается по краям контактных окон, т.е. там, где оказывается большее количество
остаточного оксида [1].
Для снижения эффекта проплавления контактов в алюминиевую металлизацию
вводится присадка кремния в диапазоне концентраций от 0,5 до 1,5% масс. Содер-
жание кремния в сплаве выбирается на уровне или выше предела его растворимости
в алюминии при температурах последующих термических воздействий. Сплавы
Al–Si удобно наносить традиционными методами магнетронного напыления.
Вместе с тем количество растворенного кремния в пленке алюминия может
значительно превосходить то количество, которое должно раствориться в алюминии
при указанной температуре термообработки согласно диаграмме фазовых состоя-
ний. Растворение кремния в поликристаллической пленке алюминия происходит
в неравновесных условиях. Кремний как растворяется в зернах алюминия, так и
сегрегирует на межзеренных границах с большим количеством структурных дефек-
тов. На рис. 1.8а показано распределение кремния по глубине пленки толщиной
0,8 мкм, полученной магнетронным распылением мишени из сплава Al (1% Si) при
1.3. Особенности технологии формирования металлизации на основе алюминия 25
температуре подложки 200 °C. Как было показано в работах [9, 10], вблизи границы
раздела с подложкой в пленках алюминия образуется релаксационный слой с повы-
шенной концентрацией дефектов структуры. Аналогичный релаксационный слой
образуется на поверхности пленки, содержащей слой естественного Al2O3. Кремний
перераспределяется в пленке на границе раздела вследствие низ котемпературной
диффузии, стимулированной полями механических напряжений, результирующий
вектор которых направлен по нормали к поверхности. В пригран ичных областях
пленки алюминия концентрация кремния достигает 8% и более.
Глубина пленки, мкм Глубина пленки, мкм
Поверхность Поверхность
Концентрация ат.%
Концентрация ат.%
Граница с SiO2 Граница с SiO2
10
8
6
4
2
0
14
12
10
8
6
4
2
0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 0,2 0,4
а) б)
Рис. 1.8. Распределение кремния в пленке Al (1% Si) толщиной 0,8 мкм (а) и в пленке
Al (1% Si) толщиной 0,55 мкм (б) с нанесенной на поверхность пленкой αSi
толщиной 0,04 мкм
На рис. 1.8б показано распределение кремния по глубине пленки Al (1% Si) тол-
щиной 0,55 мкм, на поверхность которой в одном вакуумном процессе напыления
была нанесена пленка αSi толщиной 0,04 мкм при температуре подложки 200 °C.
Практически вся пленка αSi диффундирует на границу раздела Al–SiO2.
При формировании пленок и термических обработках на границах раздела
зерен алюминия возникает большое количество объемных структурных дефек-
тов [11]. Кроме того, экранированный радиус примесных атомов кремния в объеме
зерна алюминия больше, чем на границе раздела [12]. Эти факторы энергетически
предопределяют межкристаллитную внутреннюю адсорбцию и итоговое рас-
пределение примеси. Перераспределение примесей в пленке сплава Al–Si может
происходить как по нормали к поверхности, так и параллельно плоскости плен-
ки. Подтверждение факта перераспределения примесей также вдоль плоскости
пленки можно наблюдать по кривым относительного распределения компонентов
сплава, приведенным на рисунке в виде графиков. На границах раздела содержит-
ся минимальное количество алюминия, и, соответственно, относительная кон-
центрация кремния в этих зонах максимальная. Количественный анализ показал,
что на указанных участках концентрация Si в среднем составляет 6%, а А1 – 94%.
Эти значения существенно отличаются от исходной концентрации компонентов
в сплаве [11].
26 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Таким образом, в условиях серийного производства возникает следующая про-
блема: формирование слоя кремния, сильнолегированного алюминием (p-типа) в
области контакта алюминий – кремний.
Одним из путей решения проблем, связанных с растворением и перераспре-
делением кремния в пленках алюминия, является использование барьерных слоев
между алюминием и кремнием, а также силицидов металлов в качестве контактных
структур к кремнию.
Как следует из табл. 1.2, наилучшую термостабильность в применении к алюми-
ниевой металлизации проявляет контактный слой TiSi2 в комбинации с барьерным
слоем TiN.
Таблица 1.2. Температурная стабильность систем металлизации [13]
Структура Температура
деградации, °C Механизм деградации (продукты реакции)
Al/PtSi/Si 350 Формирование компаунда (Al2Pt, Si )
Al/TiSi2/Si 400 Диффузия (Al5Ti7Si12, Si при 550 °C)
Al/NiSi/Si 400 Формирование компаунда (Al3Ni, Si)
Al/CoSi2/Si 400 Формирование компаунда (Al9C О2, Si)
Al/Ti/PtSi/Si 450 Формирование компаунда (Al3Ti)
Al/Ti30W70/PtSi/Si 500 Диффузия (Al2Pt, Al12W при 500 °C)
Al/T iN/TiSi2/Si 550 Формирование компаунда (AlN, Al3Ti)
1.3.2. Особенности морфологии пленок металлических межсоединений
Микроструктура пленок металлов находится в сильной зависимости от соотно-
шения температуры подложки в процессе нанесения пленок (T) и температуры
плавления металла (Tm). Зонная модель структуры пленок, впервые показанная
Мовчаном и Демчишиным [14], приводи тся на рис. 1.10.
а) б)
Рис. 1.9. Микрофотографии сплава Al–Si на окисленной Si-подложке после термо-
обработки: распределение Si вдоль сплошной линии (ось концентраций
Si в относительных единицах направлена вправо) (а), рапрделение Al (ось
концентраций Al в относительных единицах направлена влево) (б) [11]
1.3. Особенности технологии формирования металлизации на основе алюминия 27
Здесь зона 1 состоит из клинообразных зерен с выпуклой куполообразной
поверхностью. Размер зерен увеличивается с ростом температуры. Для Al, темпе-
ратура плавления которого 659,7 °C , T1 ~ 7 °C. Левенсон [15] описал структуру как
колоннообразные группы зерен, разделенные пустотами. В зоне 2 формируется
столбчатая структура зерен с гладкой матовой поверхностью. Проявляются четкие
границы зерен (ширина ~ 5 Å) [16]. Ширина столбчатого кристаллического блока
увеличивается с ростом температуры. Пористость отсутствует. В зоне 3 столбчатые
зерна постепенно изменяются на равноосные (приблизительно одинаковый раз-
мер во всех направлениях) зерна относительно большого размера. Поверхность
становится шероховатой.
Шероховатость увеличивается с ростом температуры. Энергия активации для
роста зерна в пленках Al соответствует самодиффузии по границам зерен в пленке
Al [15]. Микротвердость и пластичность пленок определяются структурными осо-
бенностями зоны, в которой они были сформированы [14]. Формирование зерен
зависит как от материала пленки, так и от условий осаждения, причем указанные
закономерности изменения микроструктуры поликристаллических пленок со-
блюдаются только в условиях ограниченной подвижности атомов наносимого
материала по подложке [17].
1.3.3. Эффекты массопереноса
Массоперенос в металлических пленках системы межсоединений на кристалле
может возникать под действием разнообразных движущих сил, таких как воздей-
ствие электрического тока, градиента температуры, остаточных напряжений и т.д.
В общем случае явление массопереноса можно описать формулой (1.5) [18]:
(1.5)
где J – атомарный поток, D – коэффициент диффузии, С – атомарная плотность,
k – постоянная Больцмана, T – температура, F – движущие силы.
Электромиграция заключается в массопереносе материала металлического
проводника под действием электрического тока. Движущая сила электромиграции
Температура
подложки (Т/Тm)
Давление
аргона,
отн. ед.
Энергия частиц, эВ
а) б)
Т/Тm
–100
0
0,2 0,2
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
0,4 0,4
0,6
0,8 0,8
0,6
1,0
1,0 1
1
10
20
30
Зона 1 Зона 1
Зона 2
Зона 3 2
3
Т
Рис. 1.10. Микроструктура металлических пленок
28 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
является результатом передачи импульса от столкновения электронов с атомами
металла. Поскольку каждый атом, покинувший свою ячейку в кристаллической
структуре пленки, должен связаться с какой-либо пустотой (вакансией), электро-
миграцию часто описывают как диффузию вакансий.
Движущая сила электромиграции выражается как
Fe = z*eρj, (1.6)
где z* – эффективный заряд или эффективная валентность, e – заряд электрона,
ρ – удельное сопротивление, j – плотность тока [18]. Строго говоря, F и j – это
векторы, но для упрощения здесь они рассматриваются как скалярные величины.
Практический эффект массопереноса в процессе электромиграции выражается
в образовании пустот и бугорков в металлической пленке, как показано на рис. 1.11.
В этом случае массоперено с происходит по направлению потока электронов, то
есть полости образуются вблизи отрицательного полюса проводника, а бугорки –
вблизи положительного полюса.
Полость
Бугорок
Al
SiO2
Поток
электронов
Рис. 1.11. Массоперенос под действием электромиграции
Как видно из формулы (1.6), движущая сила электромиграции находится в
прямой зависимости от величины плотности тока в проводнике. Для алюминиевых
проводников критическими считаются плотности тока от 2 до 5 А/см2.
Учитывая, что в поликристаллических пленках диффузия происходит преиму-
щественно по границам зерен, содержащим существенное количество вакансий,
большое значение для эффектов массопереноса имеет морфология пленки. Для
снижения массопереноса желательно иметь протяженные зерна с минимальным
количеством межзеренных границ.
Другим способом снижения массопереноса в пленках алюминия является
использование добавки в алюминий примесей с ограниченной растворимостью,
например меди или титана. Часто используются сплавы Al (0,5% Cu), Al (0,25% Cu,
0,1% Ti) и т.д. Атомы меди или титана высаживаются на границах зерен, тем самым
затрудняя диффузию алюминия и формирование структурных н еоднородностей в
пленке. На рис. 1.12 показано, что добавка меди в сплав алюминия позволяет на
несколько порядков увеличить время наработки на отказ при испытаниях метал-
лизации на электромиграцию.
Еще одним способом уменьшения электромиграции может быть использование
многослойных структур со слоями тугоплавких металлов, как показано на рис. 1.13.
1.3. Особенности технологии формирования металлизации на основе алюминия 29
Нужно отметить, что формирование полостей в процессе электромиграции носит
прогрессирующий лавинообразный характер. В области образовавшихся мелких
полостей локально увеличивается плотность тока, что, в свою очередь, ускоряет
процесс массопере носа в этой области. Использование слоев металлов с высокой
температурой плавления позволяет шунтировать мелкие структурные неодно-
родности алюминиевой пленки и подавлять формирование бугорков, тем самым
замедляя электромиграционные процессы.
В общем случае термомиграция определяется как массоперенос за счет градиен-
та температур. Движущая сила термомиграции описывается выражением (1.7) [18]:
(1.7)
где Q* – термоперенос, который может быть как положительным, так и отрицатель-
ным. Теоретически показано, что Q* и показатель электромиграции z* тесно взаи-
Накопленные отказы, %
10 000
1000
100
10
1,0
0,1
Наработка на отказ, ч
Al–Si (2%)
Al–Si (2%)–Cu (1%)
Al–Si (2%)–Cu (4%)
Сигма
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0,5 1 2 5 10 20 30 50 70 80 90 95 98 99,5
Полость
Al
Ti
Диэлектрик
Диэлектрик
Поток
электронов
Рис. 1.12. Результаты ускоренных испытаний на электромиграцию сплавов Al–Si (2%)
с концентрацией меди 0, 1 и 4%. Испытания проводились при температуре
220 °C и плотности тока 106 A/см2 [19]
Рис. 1.13. Многослойные структуры для снижения электромиграции
30 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
мосвязаны. Физический механизм термомиграции заключается во взаимодействии
термически возбужденных электронов с атомами металла. Металлы, подверженные
электромиграции, такие как алюминий, также подвержены и термомиграции.
Склонность к электро- и термомиграции определяется в первую очередь низкой
температурой плавления и высоким коэффициентом диффузии металла при низких
температурах. Наибольшую склонность к миграционным явлениям имеют такие
металлы, как Pb и Sn [20].
Стресс-миграция возникает вследствие остаточных напряжений в структуре,
связанных с различиями коэффициентов термического расширения алюминия
и сопрягающихся с ним технологических слоев. Следует отметить, что стресс-
миграция определяется не уровнем остаточных напряжений, а наличием градиента
напряжений. Если напряжения велики, но распределены равномерно в некотором
объеме, то массоперенос не происходит. При этих уточнениях движущую силу
стресс-миграции можно описать выражением (1.8) [18]:
(1.8)
где Ω – активационный объем, σ – гидростатическая компонента остаточных на-
пряжений.
Под воздействием градиента напряжений происходит диффузия ал юминия по
границам зерен поликристаллической структуры пленки. В результате этого про-
цесса происходит формирование бугорков и полостей, как показано на рис. 1.14. Из
факторов, усугубляющих стресс-миграцию, можно выделить высокие остаточные
напряжения в структуре металлизации, воздействие высоких температур, несо-
вершенные границы зерен (зона 1 на 0).
Бугорок Границы зерен
Остаточные
напряжения
сжатия
SiO2
Si&подложка
Al
Рис. 1.14. Пояснение к эффекту стресс-миграции в алюминиевых пленках
В результате стресс-миграции могут возникать как закоротки между уровнями
металлизации, так и обрывы металлических проводников. Неровная поверхность
металла может создавать дополнительные проблемы при формировании микро-
рисунка топологии кристалла.
Последствия стресс-миграции, так же как и последствия электромиграции,
можно снизить добавкой в алюминий примесей с ограниченной растворимостью.
Вместе с тем использование многослойных покрытий может активировать процес-
сы стресс-миграции за счет внесения дополнительных механических остаточных
напряжений в систему металлизации.
1.3. Особенности технологии формирования металлизации на основе алюминия 31
1.3.4. Технологические особенности операции заполнения металлом
контактных окон
При уменьшении проектных норм требовалось разработать также и новые подходы
к формированию самих элементов интегральных схем, в том числе многоуровневой
металлизации. Основные проблемы, возникающие при формировании металлиза-
ции, можно выстроить в следующей логической последовательности:
– для формирования микрорисунка субмикронного размера, в связи с суще-
ствующими ограничениями по глубине фокусировки мультипликаторов, а
также ограничениями по толщине фоторезиста и селективности травления
системы «металл – фоторезист», необходимо минимизировать микрорельеф
в системе металлизации;
– минимизация микрорельефа (планаризация) любыми известными способами
неизбежно приводит к увеличению глубины контактов в отдельных тополо-
гических местах интегральной схемы;
– в результате этого ключевой становится проблема заполнения металлом
контактных окон с большим аспектным соотношением.
Под аспектным соотношением понимают отношение глубины к ширине
контактов. По мере увеличения аспектного соотношения заполнение контактов
металлом существенно ухудшается. Для количественной оценки качества запол-
нения контактов мета ллом вводится понятие коэффициента заполнения, который
рассчитывается как отношение толщины металлической пленки на горизонталь-
ной поверхности диэлектрика к минимальной толщине пленки в контактном
окне. Типичный коэффициент заполнения контактных окон с размером 0,9 мкм
и аспектным соотношением 1 при использовании традиционного магнетронного
метода напыления металла не превышает 20% (рис. 1.15).
Рис. 1.15. Типичный коэффициент запыления контактных окон с аспектным соот-
ношением около 1 для традиционного магнетронного напыления металла
32 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Такой уровень коэффициента заполнения находится на пределе допустимого
значения, необходимого для обеспечения надежности микросхем. При даль-
нейшем уменьшении проектных норм и увеличении аспектного соотношения
контактных окон традиционный метод магнетронного распыления становится
уже неприемлемым. Поэтому технологические методы заполнения металлом
контактных окон постоянно совершенствуются. Некоторого улучшения можно
добиться, например, при использовании когерентного магнетронного напыления
с использованием коллиматоров или ионизированным магнетронным напыле-
нием.
Например, для заполнения алюминием контактных окон с высоким аспектным
соотношением фирмой Applied Materials была разработана так называемая техно-
логия «горячего» алюминия.
Суть технологии заключается в следующем. Частицы (атомы или кластеры)
распыленного металла, попадая на подложку, могут в зависимости от соотношения
энергий частицы и подложки: а) отразиться от подложки, б) сразу закрепиться на
подложке, в) некоторое время мигрировать по поверхности подложки и закрепиться
в некоторой потенциальной яме. Задача процесса «горячего» алюминия состоит в
том, чтобы создать условия для максимального проявления вариа нта (в).
Технология «горячего» алюминия активно используется для создания метал-
лических соединений между элементами схемы и формирования встроенных
алюминиевых контактов с полным заполнением контактных окон. По этой тех-
нологии формируются как контакты к подложке, так и контакты между уровнями
металлизации.
Процессорный модуль А4
(Process Module)
Процессорный модуль А5
(Process Module)
Процессорный модуль А6
(Process Module)
Транспортный модуль ТМ А0
(Transfer Module)
Процессорный модуль А3
(Process Module)
Процессорный модуль А2
(Process Module)
Cдвоенный кассетный модуль А1
DCM (Dual Cassete Module)
Камера перегрузки пластин
WHC (Wafer Handler Chamber)
Камера загрузки – выгрузки LL2
(Load&Lock 1)
Кассетный элеватор СЕ2
(Cassete Elevator 1)
Камера загрузки – выгрузки LL1
(Load&Lock 1)
Кассетный элеватор СЕ1
(Cassete Elevator 1)
Станция дегазации
HS2 (Handoff Station 2) Degas
Станция охлаждения
HS1 (Handoff Station 1) Cool
Сенсорные мониторы
А6
А5
А0
А4
А3
А2
А1
HS2 HS1
Рис. 1.16. Схема многокамерной установки вакуумного напыления Varian m2i
1.3. Особенности технологии формирования металлизации на основе алюминия 33
Эта технология реализуется в многокамерных установках вакуумного напыле-
ния, один из вариантов установки такого типа показан на рис. 1.16.
Планаризация алюминия и в контактах к подложке, и в межуровневых кон-
тактах может регулироваться одним из двух основных методов: растеканием или
многошаговым нанесением. В методе растекания алюминий наносится на пласти-
ну в камере с традиционным магнетронным напылением, после чего пластина
перемещается в камеру нагрева и разогревается до температур от 500 до 530 °C,
чтобы обеспечить алюминий достаточной энергией растекания и, таким об-
разом, заполнить контакт. При использовании многошагового метода вначале
осаждается смачивающий слой (как правило, титан) с последующим нанесением
мелкокристаллического слоя «холодного» алюминия. Холодный алюминий на-
носится при низких температурах подложки и служит для равномерного зароды-
шеобразования следующего слоя. Далее пластина нагревается до температур от
430 до 480 °C и вновь наносится уже «горячий» алюминий, чтобы заполнить кон-
такты.
Выбор конкретного метода зависит от размера, профиля и формы контактов.
Следует отметить, что многошаговая технология напыления металла требует от-
носительно низких тепловых нагрузок по сравнению с процессом растекания.
Многошаговый технологический процесс планаризации алюминия состоит из
следующих стадий [21].
Обезгаживание пластин при высокой температуре проводится в станции дега-
зации. Температура обезгаживания должна быть приблизительно на 50 °C выше
максимальной температуры в процессе напыления последующих слоев. Задача
операции обезгаживания – удалить с поверхности пластин адсорбированные га-
зовые примеси, конденсированную влагу и возможные органические загрязнения
различного характера.
Предварительная очистка проводится в модуле, оснащенном системой высоко-
частотной очистки в атмосфере аргона. На этой стадии удаляются слои естественных
окислов с поверхности контактных окон.
Напыление смачивающего слоя титана: смачивающий слой должен иметь мелко-
кристаллическую структуру и равномерно покрывать горизонтальные и наклонные
поверхности контактных окон.
Напыление «холодного» алюминия проводится при температурах менее 100 °C и
высоких мощностях разряда (от 9 до 11 кВт).
Напыление «горячего» алюминия проводится при температурах от 430 до 480 °C
и низких мощностях разряда (от 1 до 3 кВт).
Конечый результат использования технологии «горячего» алюминия показан
на рис. 1.17 на примере контактов к кремнию (а) и контактах между уровнями
ме таллизации.
Процессы «горячего» алюминия могут варьироваться в зависимости от размеров
и формы контактных окон, применяемых в технологии интегральных микросхем,
как показано в табл. 1.3. Они отличаются относительной простотой, низкой сто-
имостью реализации и хорошо сочетаются с технологией планаризации жидкими
стеклами (0).
34 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Таблица 1.3. Технологические процессы «горячего» алюминия, рекомендованные ф. Applied Materials [22]
Структура
контактов
0,8 × 0,8 м км 0,4 × 0,8 мкм 0,6 × 1,2 мкм 0,5 × 2 мкм
Последователь-
ность слоев
Ti/TiN + холод. Al
+ растекание + TiN
Ti/TiN + холод. Al
+ гор. Al + TiN
Ti/TiN + гор. Al
+ TiN
Ti/TiN + холод. Al
+ гор. Al + TiN
Обезгаживание 515 °C, 60 с 500 °C, 60 с 490 °C, 60 с 490 °C, 60 с
Барьер 300 Ti 800 TiN 300 Ti 1000 TiN 300 Ti 1000 TiN 200 Ti 10 00 TiN
Отжиг барьерного
слоя
В печи
480°, 30 мин., N2
В печи
480°, 30 мин., N2
В печи
480°, 30 мин., N2
В печи
480°, 30 мин., N2
Смачивающий
слой (Ti) 400 400 400 500
Алюминий (холод-
ное нанесение) 7500 , 12 кВт 2500 , 12 кВт Не используется 2800 , 12 кВт
Алюминий ( горячее
нанесение)
Растекание, 120 с
(505 °C)
2500 ,
1 кВт + 4000 ,
6 кВт (490 °C)
2250 ,
12 кВт + 4250 ,
2 кВт (480 °C)
1 мкм, 2,5 кВт
(480 °C)
К недостаткам технологии «горячего» алюминия можно отнести:
– существенное укрупнение размеров зерен и микрорельефа поверхности
алюминиевой пленки, что представляет определенные проблемы при фор-
мировании итогового микрорисунка в слое металлизации;
– повышенные требования к диффузионному барьеру между алюминием и
кремнием для исключения эффекта взаимодействия алюминия с кремнием
и токов утечек p-n-переходов.
а) б)
Рис. 1.17. Фотографии алюминиевой планаризации по технологии «горячего» алюми-
ния в контактах к кремнию (а) и контактах между уровнями металлизации (б)
в микросхемах с проектными нормами 0,5 мкм ОАО «ИНТЕГРАЛ» [21]
1.4. Особенности технологии нанесения металлизации на основе меди 35
1.4. Особенности технологии нанесения металлизации
на основе меди
Основными преимуществами меди являются низкое удельное сопротивление, вы-
сокая термостабильность и стойкость к массопер еносу (табл. 1.4).
Таблица 1.4. Сопоставление свойств алюминия и меди
Металл Al Cu
Удельное сопротивление, мк Ом·см 2,66 1,67
Температура плавления, °C 660 1083
Энергия активации диффузии в кристаллической решетке, эВ 1,4 2,2
Энергия активации диффузии по г раницам зерен, эВ 0,4–0,8 0,7–1,2
Низкое удельное сопротивление меди позволяет в несколько раз снизить время
задержки сигнала в цепях интегральных микросхем по сравнению с металлизацией
на основе алюминия (рис. 1 .18).
Al + SiO2
Общая задержка
Cu + Low&k (2.0)
Общая задержка
Cu + Low&k (2.0)
Задержка межсоединений Задержка межсоединений
Al + SiO2
Задержка
шин затворов
Размер элементов, мкм
Время задержки, пс
50
40
30
20
10
987
6
5
4
3
2
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Рис. 1.18. Зависимость величины времени задержки от размера элементов в цепях
металлизации на основе алюминия и меди [23]
В соответствии с формулой (1.3) время задержки сигнала зависит как от ве-
личины сопротивления проводников, так и от диэлектрической проницаемости
изолятора. Поэтому медную металлизацию, как правило, используют совместно
с диэлектриками, обладающими низкой диэлектрической проницаемостью ε
(low-k-диэлектрики) [24]. Основные материалы с низкой диэлектрической прони-
цаемостью, нашедшие применение в технологии медной м еталлизации, показаны
в табл. 1.5.
36 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Таблица 1.5. Диэлектрики с низкой диэлектрической проницаемостью [25]
Материал Диэлектрическая
проницаемость (ε) Метод нанесения
SiО2 3,9–4,5
Плазменно
стимулированное
химическое осаждение
из газовой фазы (PECV D)
Фторосиликатные стекла (FSG) 3,2–4,0
Органосиликатные стекла (SiOCH или SiCOH) 2,7–3,3
Аморфные фторуглероды (a-C:F) 2,4
Пар илен-N 2,7
Химическое осаждение
из газовой фазы (CVD)
Парилен-F 2,4–2,5
Полиимиды 3,1–3,4
Нанесение
центрифугированием
из жидких композиций
Фторированные полиимиды 2,5–2,9
Бензоциклобутан (BCB) 2,7
Гидроген-силсесквиоксаны
Hydrogen-Silsesquioxane (HSQ) 2,9–32
Метил-силсесквиоксаны
Methyl-Silsesquioxane (MSQ) 2,6–28
Ароматические углеводороды (SiLK) 2,6–2,7
Тефлон AF 2,1
Пористый кремний (аэрогель или ксерогель) 1,1–2,4
Как уже было отмечено выше, немаловажным фактором является высокая
теплопроводность меди (рис. 1.19).
Несмотря на то что энергопотребление отдельных базовых элементов совре-
менных микросхем крайне незначительно, количество этих элементов на кристалле
очень велико и суммарная потребляемая мощность схемы может достигать 20 Вт и
более. Соответственно, такая высокая мощность должна быть эффективно рассеяна
во избежание локальных перегревов в структуре микросхемы. Повышение темпера-
туры приводит к увеличению численных значений токов утечки полупроводнико-
вых переходов и активизирует процессы электромиграции в узких металлических
шинах, ухудшая производительность и надежность микросхем с субмикронными
размерами элементов.
Температура, °К
Теплопроводность, Вт/м⋅К
Al
Cu
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0 200 400 600 800 1000
Рис. 1.19. Теплопроводность проводников Cu и сплава Al (0,5% Cu) [26]
1.4. Особенности технологии нанесения металлизации на основе меди 37
Высокая стойкость к электро- и стресс-миграции является еще одним важней-
шим достоинством металлизации на основе меди. На рис. 1.20 показана сравни-
тельная наработка на отказ проводящих шин медной и алюминиевой металлизации
в одинаковых условиях. Очевидно, преимущество меди связано с более высокой
энергией активации диффузии как в кристаллической решетке, так и п о границам
зерен в сравнении с алюминием.
Рассматривая электрическое сопротивление и стойкость шин металлизации к
миграционным явлениям, необходимо учитывать, что при уменьшении размеров
элементов до нескольких десятков нанометров они уже становятся сопоставимы с
размерами зерен металлических шин. На рис. 1.21 показано рассеяние электронов
на границах зерен и на границах металл – диэлектрик, приводящее к увеличению
сопротивления проводника [27].
Как видно из табл. 1.4, энергия активации диффузии по границам зерен в не-
сколько раз меньше по сравнению с энергией активации диффузии в кристалли-
ческой решетке, что определяет преимущественную диффузию по границам зерен.
Соответственно, при малых размерах зерен и большой протяженности межзеренных
границ миграционные явления облегчаются. Эти обстоятельства ставят на первый
план технологическую проблему укрупнения размеров зерен металлических шин.
Эта проблема решается выбором технологических методов и режимов нанесения
металлических пленок, а также их термических обработок.
При несомненных достоинствах меди как материала межсоединений ряд специ-
фических свойств меди требуют существенного изменения подходов к формиро-
ванию системы металлизации на ее основе.
Ведь медь является быстро диффундирующей примесью и образует глубокие
энергетические уровни в запрещенной зоне кремния [28]. Кроме того, мед ь активно
диффундирует в слои диэлектрика, формируя подвижный заряд, как показано на
рис. 1.22.
100
10
1
0,1
1,01
1,001
t50 (год)
Cu Al
Рис. 1.20. Время наработки на отказ (t50) медной и алюминиевой металлизации [26]
38 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Атомы меди ионизируются под действием электростатического потенциа-
ла, проникают в диэлектрик и затем накапливаются в диэлектрике в виде про-
странственного заряда. На скорость диффузии меди в диэлектрик влияют уровни
электростатического потенциала и температурных градиентов в структуре метал-
лизации. Скорость диффузии меди в слоях Si3N4 и SiXOYNZ в несколько раз меньше
по сравнению с SiO2. По этой причине использование нитридов и оксинитридов
кремния в качестве диэлектриков является предпочтительным для металлизации
на основе меди [30].
Высокая подвижность меди в диэлектриках и кремнии может быть причиной вы-
соких токов утечки и малых пробивных напряжений диэлектриков и p-n-переходов.
Для устранения этих явлений необходимо использовать барьерные слои, изолиру-
ющие медные проводники от слоев диэлектрика и кремниевой подложки.
Из-за высокой опасности примесей меди для активной структуры микросхем
производственные участки, выполняющие операции формирования активной
SiO2
SiO2
Si3N4
Si3N4
e–
e– Cu
Ta
Рис. 1.21. Рассеяние электронов на границах зерен [27]
Cлой
диэлектрика n&Si&подложка
Cu&
Наведенный электрод
потенциал
e– + Cu+
Cu0
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Рис. 1.22. Принцип формирования подвижного заряда в диэлектрике [29]
1.4. Особенности технологии нанесения металлизации на основе меди 39
структуры и медной металлизации, пространственно отделяются друг от друга.
Кроме того, разделяются системы водоснабжения, климата и т.д.
Технологическими проблемами формирования медных проводников также яв-
ляются:
– трудности реализации процесса сухого травления при формировании микро-
рисунка тонких медных линий из-за низкой летучести хлоридов меди;
– плохая адгезия меди к диэлектрикам;
– склонность к окислению и коррозии.
Поэтому технологический процесс создания медной металлизации существенно
отличается от процессов металлизации на основе алюминия, где проводящие до-
рожки формируются травлением металлической пленки через маску фоторезиста.
На рис. 1.23а представлен детализированный маршрут технологического
процесса формирования медной металлизации методом гравировки (Damascene
Process), который содержит следующие этапы:
(1) в слое диэлектрика методом фотолитографии создаются контактные окна
к кремнию или слою силицида металла;
(2) на поверхность подложки с контактными окнами методами напыления
или химического осаждения из газовой фазы наносятся адгезионные и
барьерные слои, а также тонкий затравочный слой меди, после чего электро-
химическим способом осаждается слой меди толщиной, достаточной для
полного заполнения контактов;
(3) избыток меди, а также барьерные и адгезионные слои удаляются с поверх-
ности химико-механической полировкой;
(4) на поверхность подложки с контактами наносятся слои Si3N4 и SiO2;
(5) в слоях Si3N4 и SiO2 формируются канавки, соответствующие необходимому
рисунку медных проводников, при этом слой Si3N4 служит стоп-слоем для
травления канавок в SiO2.
Следует отметить, что этапы формирования омических контактов к кремнию
могут быть заменены традиционной технологией формирования вольфрамовых
столбиков, применяемой для алюминиевой металлизации
Далее аналогично п. (2) наносятся адгезионный, барьерный и затравочный слои
меди, проводится электрохимическое осаждение меди и химико-механическая
полировка.
В результате такой последовательности операций медные проводники со всех
сторон изолируются барьерными слоями, что позволяет исключить токи утечек
транзисторных структурах интегральных микросхем.
По аналогичному принципу создаются все последующие уровни металлизации.
Метод двойной гравировки позволяет сократить количество операций форми-
рования медной металлизации (рис. 1.23б).
Здесь на первом этапе наносится последовательность диэлектриков, например
SiO2 – Si3N4 – SiO2, после чего в верхнем слое SiO2 создаются канавки, соответ-
ствующие конфигурации будущих медных межсоединений, а в нижнем слое SiO2
создаются контактные окна к активной структуре или нижнему слою металлиза-
ции. Также, как и в Damascene-процессе, Si3N4 служит стоп-слоем для травления
канавок в SiO2.
40 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
На эту сложную структуру наносятся адгезионные и барьерные слои, а также
тонкий затравочный слой меди, после чего электрохимическим способом осажда-
ется слой меди. Таким образом, одновременно формируются и контакты к ниже-
лежащим слоям, и проводниковые шины.
Как говорилось выше, для снижения паразитных емкостей в структуре метал-
лизации слои SiO2 заменяются на слои диэлектриков с низкой диэлектрической
прони цаемостью (low-k-диэлектриками). В этом случае слои low-k-диэлектриков
разделяются соответствующими стоп-слоями, обеспечивающими высокую селектив-
ность травления low-k-диэлектрика (рис. 1.24), например SiCOH–SiC–SiCOH [31].
Эти комбинации могут быть достаточно многообразны для различных типов диэ-
лектриков.
SiO2
SiO2
SiO2
Si3N4
Si3N4
SiO2
SiO2
SiO2
Cu
Cu
Cu
1) Формирование
контактных окон
в диэлектрике
2) Нанесение
барьерного слоя
и Cu
2) Нанесение
барьерного слоя
и Cu
3) Химико&
механическая
полировка Cu
3) Химико&
механическая
полировка Cu
5) Формирование
канавок в слое
диэлектрика
+
нанесение
барьерного слоя
и Cu
1) Формирование
канавок
и контактных окон
в слоях
4) Нанесение диэлектрика
межуровнего
диэлектрика
SiO2 и Si3N4
6) Химико&
механическая
полировка Cu
Проводники
Контакты Контакты
Проводники
а) б)
Рис. 1.23. Маршрут формирования медной металлизации методом гравровки (Damascene
Process) (а) и двойной гравировки (Dual Damascene Process) (б) [29]
1.4. Особенности технологии нанесения металлизации на основе меди 41
Следует особо подчеркнуть, что исключительно важную роль в этой технологии
играют барьерные слои, к которым предъявляются следующие требования:
– хорошие барьерные свойства при очень малых толщинах;
– низкое сопротивление;
– химическая стабильность;
– термостабильность.
Надо сказать, что переходные металлы (Pd, Cr, Ti, Co, Ni, Pt) обладают плохими
барьерными свойствами вследствие взаимодействия с медью при температурах
менее 450 °C [29].
Taк, Mo, W обладают более высокой термостабильностью, однако деградация
барьера возможна в результате диффузии меди по границам зерен поликристалли-
ческих пленок этих металлов [32, 33].
Сплавы Ta, Mo, W, осажденные как аморфные пленки, как показывают много-
численные исследования, могут быть стабильны до температуры 500 °C [29, 32, 33].
Хотя нитриды Ti, Ta и W обладают хорошими барьерными свойствами до тем-
ператур 500–600 °C [34–36], вместе с тем традиционные барьеры для алюминиевой
металлизации TiN приводят к образованию раковин в медных проводниках [36]
Аморфные соединения Ta, Ti, Mo, W с кремнием также могут формировать
барьеры, устойчивые до температуры 700 °C [37, 38].
Наилучшими барьерными свойствами обладают аморфные тройные сплавы,
такие как Ta36Si14N50, Ti34Si23N43, в результате высокой температуры кристаллиза-
ции [39–41].
В технологии микросхем с субмикронными размерами элементов барьерные
слои наносятся в контактные окна и канавки с очень большим отношением глу-
бины к ширине, доходящим до 3–4 (рис. 1.25). Это предъявляет высокие требо-
вания к конформности покрытия. Толщина барьерного слоя на боковых стенках
должна быть достаточной для предотвращения диффузии меди в структуру, но не
слишком большой, чтобы не затруднять последующее осаждение меди. Толщина и
сопротивление барьерного слоя «на дне» должны обеспечивать низкое омическое
сопротивление контактов. Кроме того, должно обеспечиваться низкое переходное
контактное сопротивление к другому контактирующего материалу (кремнию, ме-
ди и т.д).
Для выполнения требований конформности барьерных слоев необходимо ис-
пользовать специальные методы их нанесения: ионизированного магнетронного
напыления, химического осаждения из газовой фазы, атомно-слоевого нанесе-
ния и т.д.
Проводники
Контакты
Стоп&слой
Барьерный слой
Low&k
Low&k
Рис. 1.24. Эскиз структуры медной металлизации со слоями low-k-диэлектриков
42 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Поскольку барьерный слой наносится также и на горизонтальную поверхность
диэлектрика, он должен хорошо поддаваться химико-механической полировке со-
вместно со слоем меди, причем скорость его полировки не должна быть существенно
меньше скорости полировки диэлектрика, чтобы не приводить к избыточному или
неравномерному утонению диэлектрика.
Барьерный слой также должен обладать хорошей адгезией ко всем контакти-
рующим материалам: диэлектрику, кремнию, меди. В ряде случаев это выполнить
затруднительно, поэтому используются комбинации барьерного и адгезионного
слоя, например барьерного слоя TaN с адгезионным подслоем Ta.
От технологии нанесения ал юминиевой металлизации наиболее радикально
отличается процесс нанесения меди, где используется метод электрохимического
осаждения. Типичная схема установки показана на рис. 1.26 [42].
– Быть пригодным
для химико&механической
полировки
– Обеспечить диффузионный
барьер между медью и диэлектриком
– Оставить пространство
для заполнения медью
– Обладать адгезией к диэлектрику
и меди
– Не вызывать коррозию
– Обеспечить низкое в контакте с медью
контактное и переходное
сопротивление
к кремнию, меди
– Обеспечить диффузионный
барьер между медью
и кремнием
Рис. 1.25. Основные требования к барьерным слоям на участках рельефа [29]
e–
Подложка
Катод
Анод
Циркуляция раствора
Cu2+ + SO4
2–
H2SO4
Диффузор
Рис. 1.26. Схема установки электрохимического осаждения меди
Здесь под действием электрического поля между катодом и анодом проис-
ходит диссоциация раствора CuSO4 → Cu2+ + SO4
2–, а также реакция окисления
Cu → Cu2+ + 2e– на аноде и реакция восстановления Cu2+ + 2e– → Cu на катоде.
Таким образом, на полупроводниковой пластине, закрепленной на катоде,
осаждается слой меди.
1.4. Особенности технологии нанесения металлизации на основе меди 43
Как показали результаты многочисленных экспериментов, электрохимическое
осаждение меди непосредственно на барьерный слой не дает хороших результатов.
Для получения равномерных, однородных по структуре медных покрытий перед
электрохимическим осаждением необходимо наносить тонкий затравочный слой
меди. Методы нанесения затравочного слоя аналогичны барьерным слоям: иони-
зированное магнетронное напыление, химическое осаждение из газ овой фазы или
атомно-слоевое нанесение.
Затравочный слой создает равномерные очаги роста и коалесценции зерен в
процессе электрохимического осаждения меди, что позволяет формировать медные
покрытия с однородной преимущественной ориентацией зерен в плоскости (111) и
значительно большим размером зерен по сравнению с другими методами нанесе-
ния. При этом достигается превосходное заполнение глубокого рельефа (рис. 1.27),
позволяющее избегать образования полостей в объеме рельефа, характерного для
методов физического осаждения.
Полость
а) б) в)
Рис. 1.27. Заполнение рельефа методом физического (а) и электрохимического
осаждения (б). Реальная структура с размером контактов 0,18 мкм (в) [42]
И еще один важный для практики момент: в слоях меди, осажденных электро-
химическим методом, наблюдается рекристаллизация при комнатной температу-
ре (рис. 1.28), сопровождающаяся укрупнением среднего размера зерен. Процесс
рекристаллизации происходит достаточно быстро, в итоге уже после 10,8 часов
выдержки все исходные зерна рекристаллизуются. Низкотемпературная терми-
ческая обработка приводит к дальнейшему укрупнению и усреднению размеров
зерен.
Протекание процесса рекристаллизации электрохимически осажденной меди
находится в сильной зависимости от затравочного слоя. Выше уже упоминалось, что
электрохимически осажденные слои меди обладают достаточно однородной тексту-
рированной структурой с преимущественной ориентацией зерен в плоскости (111).
44 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Изначально после осаждения слой меди имеет практически ту же текстуру, что и
затравочный слой. Текстурированность слоев меди после рекристаллизации при
комнатной температуре увеличивается, если затравочный слой имеет нетекстури-
рованную разориентированную мелкокристаллическую структуру, и уменьшается,
если затравочный слой меди текстурирован с преимущественной ориентацией (111).
В процессе рекристаллизации при комнатной температуре происходит усадочная
деформация и растягивающие напряжения в слое меди увеличиваются. Скорость
рекристаллизации увеличивается в случае осаждения меди на нетекстурирован-
ный затравочный слой, таким образом, уменьшение энергии межзеренных границ
является главной движущей силой рекристаллизации и роста размеров зерен [44].
Такая особенность формирования электрохимически осажденных слоев меди
позволяет создавать межсоединения с почти монокристаллической структурой,
минимальным количеством межзеренных границ и, соответственно, минимальным
электрическим сопротивлением и высокой стойкостью к электромиграции.
Описанная выше технология медной металлизации позволяет формировать
до 12 уровней металлизации. Ограничениями для увеличения количества уровней
являются дефектность слоя, уровень остаточных напряжений и теплообмен в
структуре, паразитные сопротивления и индуктивности в схеме.
1.5. Особенности технологического маршрута
формирования 3D-межсоединений
После достижения линейных размеров элементов микросхем уровня десятков на-
нометров дальнейшее уменьшение размеров становится крайне проблематичным.
Здесь главная проблема состоит в уменьшении величин рабочих напряжений в
схеме. Дальнейшее уменьшение порогового напряжения МОП-транзисторов не-
избежно влечет за собой увеличение подпороговых токов утечки, а без уменьшения
пороговых напряжений мощность и производительность приборов входят в про-
тиворечие. При этих обстоятельствах, чтобы обеспечить высокую эффективность
микросхем без увеличения их мощности, есть два различных подхода. Один связан с
пересмотром системной архитектуры с точки зрения снижения уровня потребления
Отжиг 300 °C
Укрупнение
малых зерен
Рекристаллизовано
Время после осаждения
5,4 часа 7,6 часа 10,8 часа
3% 44% 100%
Рис. 1.28. Процесс рекристаллизации электрохимически осажденной меди [43]
1.5. Особенности технологического маршрута формирования 3D-межсоединений 45
энергии, другой – со структурой микросхем [45]. Второй подход главным образом
реализуется трехмерной (3D) интеграцией полупроводниковых кристаллов.
Исторически трехмерная интеграция начала реализовываться в сборочном про-
изводстве, при котором несколько полупроводниковых кристаллов «высаживались»
друг на друга в корпусе прибора или на печатной плате (chip – scale package (CS P)).
Проволочные межсоединения электрически соединяли контактные площадки
корпуса или печатной платы и периферийные контактные площадки полупровод-
никовых кристаллов (рис. 1.29). При этом проволочные межсоединения имели
толщину в десятки микрометров и длину до нескольких миллиметров. Такая тех-
нология обладала рядом существенных недостатков:
– большие потери мощности в длинных межсоединениях, высокие уровни
паразитной индуктивности и задержек распространения п олезного сигнала;
– малая плотность упаковки кристаллов и большая площадь, занимаемая про-
волочными межсоединениями;
– плохой теплообмен (охлаждение) между кристаллами и окружающей сре-
дой [49].
Рис. 1.29. 3D-сборка компан ий ChipPac Inc. [46] и Amkor [47, 48]
Продолжением концепции трехмерной интеграции являлась кратко рассмо-
тренная нами выше технология трехмерных соединений на основе сквозных кон-
тактов, в англоязычной литературе называемая Through-Silicon Via (TSV) [50]. Такая
технология основана на формировании отверстий, проходящих через всю толщину
кремниевого кристалла, заполнении отверстий токопроводящим материалом,
формировании шариковых выводов на концах отверстий (рис. 1.30).
В ерхний шариковый
вывод
МОП&структура
Кремний
Сквозной контакт
Нижний шариковый
вывод
Рис. 1.30. Структура сквозных контактов в технологии TSV
46 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Кристаллы со сквозными контактами могут соединяться между собой в пакет
разнообразным образом: последовательно ( рис. 1.31а) или сторонами с активной
структурой друг к другу (рис. 1.31б).
В основе технологии сквозных контактов находятся процессы глубокого
травления кремния. Различными исследователями сообщалось о возможности
использования для этих целей лазерных методов и жидкостного химического
травления [52], однако эти методы обладают существенными недостатками в
виде термических нагрузок и высокой анизотропии соответственно. Наиболее
перспективным является метод глубокого реактивного ионного травления, кото-
рый может реализовываться в диод ном реакторе реактивного ионного травления
или в реакторе с индуктивно-связанной плазмой, схемы которых показаны на
рис. 1.32.
Кремний
Кремний
Кремний
Кремний
а) б)
Рис. 1.31. Схема соединения кристаллов со сквозными контактами
ВЧ
Смещение
НЧ
Катушка
индуктивности
Согласующее
устройство
ICP
ВЧ
Плазма
Вакуумная камера
Подложкодержатель
с подложкой
Ввод охлаждения
подложкодержателя
а) б)
Рис. 1.32. Схемы реакторов реактивного ионного травления диодного типа (а) и с
индуктивно-связанной плазмой (б)
Отличительной особенностью реактора с индуктивно-связанной плазмой
являются два контура питания: высокочастотный контур, подаваемый на катушку
индуктивности, формирующий плазму высокой плотности, и низкочастотный
контур, создающий смещение на подложке.
В этом случае высокая плотность плазмы обеспечивает высокий уровень диссо-
циации газов и высокую скорость травления, а относительно низкая энергия ионов,
поступающих на подложку, позволяет уменьшить деструкцию маски и уровень
радиационных повреждений подложки.
1.5. Особенности технологического маршрута формирования 3D-межсоединений 47
Таблица 1.6. Сравнительные характеристики процессов реактивного ионного травления
Реактор диодного типа Реактор с индуктивно-связанной плазмой
Плотность плазмы от 108 до 1010 ион/см3
в зависимости от мощности и частоты разряда Плотность плазмы до 1012 ион/см3
Энергия ионов от 500 до 1000 В в зависимости
от мощнос ти разряда
Типичная энергия ионов около 100 В. Независимое
управление энергией ионов
Анизатропию процесса можно получать несколькими способами. Одной из
возможностей является одновременное травление кремния в плазме SF6 и пасси-
вация боковых поверхностей O2, Cl2, HBr. Известен так называемый Bosch-процесс
травления, суть которого заключается в чередовании коротких циклов изотропного
травления кремния в плазме SF6 и осаждения полимера из углеродсодержащ ей
плазмы C4F8 (рис. 1.33) [51].
Рис. 1.34. Вид отверстий шириной 10 мкм и
глубиной 160 мкм, сформированных в кремнии
c использованием технологического процесса
фирмы Alcatel [51]
F +
C4F8
Тонкий слой полимера
Волнообразные
неровности
SF6
SF6
&CF2&
SiF4
Si
Si
Рис. 1.33. Схема процесса травления Bosch
48 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
На рис. 1.34 показаны экспериментальные результаты процесса глубокого ре-
активного ионного травления фирмы Alcatel, позволяющего формировать окна с
аспектным соотн ошением более 10 при высокой скорости травления [51].
Из всех известных методов заполнения отверстий токопроводящим материалом
можно выделить основные:
– электрохимическое осаждение меди [53, 54];
– газофазное осаждение вольфрама [52, 53];
– газофазное осаждение легированного поликристаллического кремния [52, 53];
– заполнение медной пастой и спекание [45].
За исключением операции заполнения контактов медной пастой, эти процессы
аналогичны тем, которые применяются в системах многоуровневой металлизации.
Более подробно процесс формирования сквозных медных соединений рас-
смотрен IMEC [55].
Процесс травления глубоких отверстий в кремнии должен обеспечивать вер-
тикальный профиль отверстий по всей глубине и по возможности малую шерохо-
ватость стенок отверстий для обеспечения их равномерного заполнения последу-
ющими технологическими слоями (рис. 1.35а).
Окисление кремния также обеспечивает электрическую изоляцию токопро-
водящего материала сквозного контакта от кремниевой подложки и определяет
паразитные емкости в структуре. Основным требованием к этому процессу явля-
ется равномерность толщины и диэлектрических характеристик окисла по всей
глубине отверстия.
После окисления проводится напыление барьерного слоя Ta, задачей которо-
го является предотвращение диффузии Cu в кремний (рис. 1.35б). Эта проблема
является весьма важной для обеспечения надежности микросхем, ее решение
осложняется трудностями формирования однородных по структуре и толщине
металлических пленок в окнах с большим аспектным соотношением и требует
использования специальных методов нанесения, например процессов ионизиро-
ванного магнетронного напыления, химического осаждения из газовой фазы или
атомно-слоевого нанесения. В качестве барьерного слоя могут использоваться не
только Ta, но и другие материалы.
Поверх барьерного слоя наносится затравочный слой меди (рис. 1.35в) для ее
последующего электрохимического осаждения (рис. 1.35г). На этапе электрохими-
ческого осаждения меди основным требованием является отсутствие разного рода
полостей и неоднородностей в объеме канала глубокого контакта. Немаловажной
является задача снижения уровня остаточных напряжений в структуре контакта,
который оптимизируется режимами формирования затравочного слоя и электро-
химического осаждения меди.
Также важным этапом формирования сквозных контактов является рекристал-
лизационный отжиг (рис. 1.35д), при котором происходит релаксация остаточных
напряжений в структуре контактов, а также улучшается пластичность меди, не-
обходимая для последующего процесса соединения кристаллов.
Химико-механическая полировка (рис. 1.35е) удаляет с поверхности слои меди
и барьерного металла, завершая процесс формирования скво зных контактов.
1.5. Особенности технологического маршрута формирования 3D-межсоединений 49
В практическом приложении используются две основные концепции форми-
рования сквозных контактов: до и после создания МОП-структуры (рис. 1.36).
Процесс «после МОП-структуры» достаточно сложен, поскольку здесь трав-
лению подвергаются разнородные материалы, а сквозные контакты занимают до-
полнительную площадь кристалла. Кроме того, для заполнения контактов можно
использовать только низкотемпературные процессы, такие как осаждение меди
или вольфрама, чтобы не вносить механические и структурные нарушения в уже
сформированные элементы микросхем.
Травление отверстий
5,41 мкм
5,27 мкм
50,86 мкм
4,51 мкм
90,6°
Напыление
барьерного
Та
Liner
PMD
STI
Si
Электрохимическое
осаждение Cu
Напыление затравочного
подслоя Cu
Отжиг
Химико&механическая
полировка
б)
в) г)
д)
е)
а)
Рис. 1.35. Последовательность формирования сквозных контактов [55]
а)
б)
Рис. 1.36. Этапы формирования сквозных контактов до (а) и после (б) МОП-структуры
50 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Процесс «до МОП-структуры» позволяет более компактно располагать сквоз-
ные контакты, не теряя эффективной площади кристалла. Для этого токопро-
водящий материал, заполняющий контакты, должен выдерживать высокие тем-
пературы формирования активной структуры (например поликристаллический
кремний).
Из литературных данных известны и промежуточные варианты, в которых
сквозные контакты формируются, например, после создания активной структу-
ры, но перед созданием межсоединений или после первого уровня металлизации.
Это позволяет комбинировать разные методы создания и заполнения отверстий,
адаптируя их к требуемому технологическому процессу.
На финишном этапе изготовления микросхем обратная сторона пластин под-
вергается утонению химико-механической полировкой таким образом, чтобы
вскрылась нижняя часть контактных отверстий.
Надо отметить тот факт, что при масштабировании сквозных контактов при-
ходится решать ряд противоречивых задач.
Итак, диаметр сквозных контактов необходимо:
– уменьшать для снижения паразитной емкости медный проводник – подложка
и снижения остаточных напряжений в структуре;
– увеличивать для конформного заполнения барьерными слоями и затравоч-
ным слоем меди, снижения паразитного сопротивления.
В это же время глубину сквозных контактов и, соответственно, остаточную
толщину кремниевой пластины необходимо:
– уменьшать для снижения паразитной емкости и сопротивления, конформ-
ного заполнения барьерными слоями и затравочным слоем меди, снижения
времени процессов травления и осаждения;
– увеличивать для снижения температурных неоднородностей и термических
напряжений в структуре, а также чтобы облегчить обращение с пластинами
при выполнении технологического процесса.
Впервые разработанный институтом IMEC еще в далеком 2012 году и показан-
ный на рис. 1.37 процесс позволял формировать сквозные контакты диаметром
около 5 мкм и глубиной 50 мкм.
а) б) в)
Рис. 1.37. Основные варианты технологии 3D-соединений кристаллов: кристалл –
кристалл (а), кристалл – пластина (б), пластина – пластина (в)
На практике возможны три варианта технологии соединения кристаллов
(рис. 1.37): «кристалл к кристаллу», «кристалл к пластине» и «пластина к пластине».
Вариант соединения «пластина к пластине» можно использовать только при очень
высоком выходе годных по пластине, в противном случае эффективность произ-
1.5. Особенности технологического маршрута формирования 3D-межсоединений 51
водства становится крайне низкой. Наиболее перспективны ми с экономической
точки зрения являются технологии присоединенения «кристалл к кристаллу» и
«кристалл к пластине» (рис. 1.37а, б).
Таблица 1.7. Сравнительные технико-экономические показатели основных вариантов технологии
присоединения кристаллов
Кристалл – кристалл Кристалл – пластина Пластина – пластина
Выход годных Высокий Высокий Низкий
Эластично сть Хорошая Средняя Плохая
Производительность Низкая Средняя Высокая
Большие технологические проблемы для инженеров-технологов создает очень
малая конечная толщина кристаллов после химико-механической полировки и
вскрытия 3D-межсоединений – она достигает 50 мкм. Кремниевые структуры
такой толщины требуют исключительно бережного обращения. Для сохранения
механической целостности тонких кремниевых пластин и кристаллов исполь-
зуются специальные временные технологические носители, в качестве которых
могут выступать стеклянные или кремниевые пластины, полимерные пленки
(р ис. 1.38) [54].
Носитель
Носитель
Носитель
Носитель
а) б) в) г)
Рис. 1.38. Использование технологических носителей для утоненных пластин
В общем случае последовательность таких операций выглядит следующим
образом:
– пластина с глубокими сквозными отверстиями, заполненными токопро-
водящим материалом, соединяется с носителем, например клеевым слоем
(рис. 1.38а);
– пластина утоняется до толщины, достаточной, чтобы вскрылась нижняя часть
глубоких контактов (рис. 1.38б);
– проводится совмещение и соединение двух кристаллов или кристалла к
пластине в зависимости от вариантов технологии, показанных на рис. 1.38в;
– тонкие кристаллы отделяются от носителя.
Возможны различные вариации этого процесса: например, утоненные пласти-
ны на носителях могут разделяться на кристаллы, после чего «тонкие» кристаллы
снимаются с носителя и соединяются с другим кристаллом или монтируются на
другую пластину с кристаллами.
52 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Способы последующего снятия тонких пластин или кристаллов с носителя
также могут быть достаточно многообразны [54, 55]:
– лазерным методом;
– с помощью жидких растворителей;
– нагревом;
– ультрафиолетовым облучением;
– механическим сдвигом или отслоением.
Надо сказать, что до сих пор эти вопросы остаются дискуссионными как в кру-
гах изготовителей оборудования, так и технологов, в последнее время все большее
предпочтение получает метод гибких полимерных носителей с механическим снятием
кристаллов при комнатной температуре [55].
Однако, несмотря на отмеченные сложности, 3D-соединения предоставляют
огромные возможности для развития новых поколений электронных приборов,
поскольку они позволяют существенно снизить потери мощности и повысить
быстродействие устройств. Это можно проиллюстрировать простым примером.
Для электрического соединения точек 1 и 2 на рис. 1.39б при использовании
3D-соединений требуется проводник значительно короче, чем в однокристальном
исполнении на рис. 1.39а. Таким образом, значи тельно уменьшаются паразитные
сопротивления и индуктивности в структуре прибора.
а)
1
2
б)
1
2
Рис. 1.39. Сравнение примеров электрических соединений в однокристальном (а) и
3D-исполнении (б)
Наибольшие преимущества касаются расширения функциональности
приборов. С использованием 3D-соединений можно объединять кристаллы
различного функционального назначения, изготовленные по совершенно раз-
личным технологиям на разнородных подложках, например схемы управления,
изготовленные по традиционной кремниевой технологии, с твердотельными
лазерами или СВЧ-транзисторами на GaN. Таким способом можно изготавливать
блоки памяти (СОЗУ, ДОЗУ, СеОЗУ) с исключительно высокой плотностью упа-
ковки.
В случае 3D-сборки возможное количество 3D-межсоединений многократно
увеличивается (рис. 1.40). Создаются условия для низкоуровневой конструктивной
интеграции кристаллов различного назначения, упрощаются схемотехнические
решения интерфейсных блоков связи устройств, а в некоторых случаях они могут
быть полностью исключены за счет создания внутрисхемных соединений между раз-
личными кристаллами. Таким образом, например, скорость обмена информ ацией
процессор – схема памяти может быть увеличена в 10 и более раз по сравнению с
традиционной планарной технологией [52].
1.5. Особенности технологического маршрута формирования 3D-межсоединений 53
Электронные приборы с 3D-соединениями отличаются высокой компактно-
стью. На рис. 1.41 показано за поминающее устройство емкостью 16 Гб фирмы
Samsung, собранное из восьми кристаллов емкостью по 2 Гб и толщиной 50 мкм.
Общая высота пакета составляет 0,56 мм.
Несомненно важным является и экономический аспект 3D-интеграции. Как
известно, процент выхода годных кристаллов на пластине Y описывается моделью
Мерфи:
(1.9)
где А – площадь кристалла, см2; D – дефектность, см–2.
Исходя из этой модели очевидно, что процент выхода существенно уменьшается
при увеличении площади кристалла. Таким образом, технологические потери при
изготовлении, например, двух кристаллов определенного размера значительно ниже,
чем одного кристалла вдвое большего размера. Причем эта выгода тем больше, чем
Рис. 1.40. Внутрисхемные соединения 3D-блоков памяти [52]
Рис. 1.41. Запоминающее устройство емкостью 16 Гб фирмы Samsung [57]
54 Глава 1. Физические основы работы полевых транзисторов
сложнее технология изготовления кристаллов, больше количество технологических
слоев (фотолитографий) и, соответственно, больше накопленная дефектность.
Поэтому по мере усложнения технологии изготовления полупроводниковых
кристаллов экономический эффект применения 3D-интеграции неуклонно возрас-
тает.
В данной главе не рассматривались такие проблемы, как технологические
процессы соединения кристаллов, температурные распределения в пакетах кри-
сталлов и возникающие термические напряжения, поскольку эти вопросы требуют
специального изучения и сегодня привлекают самое пристальное внимание как
исследовательских институтов, так и промышленных предприятий.
Литература к главе 1
1. Металлизация ультрабольших интегральных схем / Д.Г. Громов, А.И. Мочалов,
А.Д. Сулимин, В.И. Шевяков. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 277 с.
2. Murarka S.P. Multilevel interconnections for ULSI era // Mater. Sci. Eng. – 1997. –
V. R(19). – P. 87–151.
3. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. Справочник: В 2 т. – М.:
Металлургиздат, 1962. – 608 с.
4. Handbook of multilevel metallization for integrated circuits: materials, technology, and
applications / edited by Syd R. Wilson, Clarence J. Tracy, John L. Freeman. – New Jersey:
Noyes Publications, 1993. – 887 p.
5. Rosenberg R., Sullivan M.J., Howard J.K. Effect of Thin Film Interactions on Silicon
Device Technology // Thin Films-Interdiffusionand Reaction / edited by J.M. Poote,
K.N. Tuand, J.W. Mayer. – NewYork: Wiley-Interscience, 1978. – P. 13.
6. Рубцов А.Е. Структурные дефекты компонентов БИС // Обзоры по ЭТ. – 1982. –
Сер. 6. – Материалы. – № 4. – C. 897.
7. Carriere В., Deville J.P. The early stages of oxigen adsorption on silicon surfaces as seen
by electron spectroscopy // Sur. Sci. – 1979. – V.80. – P. 278–286.
8. Beechinor J.Т., Kelly P.V., O’Connor G.М., Crean G.M. // in Proceedings of the 2nd
Int. Sym. on Ultra-clean Processing of Silicon Surfaces (UCPSS’94). – Brugge, Belgium:
1994. – P. 69.
9. Баранов В.В., Колос В.В., Холенков В.Ф. Тонкие пленки сплава Al–Si с блочной
структурой // Труды IV Международной НПК «Современные информационные
и электронные технологии». – Одесса, Украина: 2003. – C. 286.
10. Баранов В.В., Колос В.В., Кошкаров Г.В., Холенков В.Ф. Условия образования
объемных неоднородностей в пленках сплава Al–Si // Известия Белорусской ин-
женерной академии М1(15)/4. – 2003. – C. 86–88.
11. Баранов В.В., Колос В.В., Холенков В.Ф. Структурные особенности пленок, нане-
сенных с высокой скоростью // Новые технологии изготовления многокристальных
модулей. Материалы докладов Международной научно-технической конференции.
27 сентября – 1 октября 2004 г. – Минск, 2004. – C. 61–63.
12. Архаров В.И. и др. К вопросу о состоянии примесного атома в межкристаллитной
переходной зоне поликристаллического твердого раствора // ФММ. – 1967. –
Т. 26. – Вып. 2. – C. 289–292.
13. Saraswat K.C. Metal/Semiconductor Ohmic Contacts // Department of Electrical
Engineering. Stanford University. Stanford, 2002. – 22 p.
Литература к главе 1 55
14. Мовчан Б.А., Демчишин А.В. Получение покрытий при вакуумной конденсации
металлов и сплавов // Физика металлов и металловедение. – 1969. – Т. 28. –
С. 83–90.
15. Levenson L.L. Grain boundary diffusion activation energy derived from surface roughness
measurements of aluminum thin films // J.Appl Phys Lett. – 1989. – V. 55. – P. 2617–2619.
16. Srolovitz D.J., Mazor A., Bukiet B.G. Analytical and numerical modeling of columnar
evolution in thin films // Journal of Vacuum Science and Technology. – 1988. – V. A6. –
P. 2371–2380.
17. Dirks A.G., Leamy H.J. Columnar Microstructure in Vapor-Deposited Thin Films //
Thin Solid Films. – 1977. – 47. – Р. 219.
18. Handbook of Semiconductor Interconnection Technology / edited by Geraldine C.
Schwartz, Kris V. Srikrishnan. – Taylor & Francis Group, 2006. – 511 р.
19. Merchant Paul P. Electromigration: An Overview // HP Journal. – 1982. – V. 33. – № 8. –
Р. 28–30.
20. Hua Y., Basaran C., Hopkins D. Thermomigration in Pb–Sn solder joints under joule heating
during electric current stressing // Appl. Phys. Lett. – 2003. – V. 82. – P. 1045–1047.
21. Разработать и внедрить в серийное производство технологический процесс фор-
мирования многоуровневой алюминиевой металлизации ИМС с коэффициентом
запыления субмикронных контактных окон не менее 50%: отчет по заданию 1.1.2
ГНТП «Микроэлектроника» (заключительный) / Министерство промышленности
РБ. УП «Завод полупроводниковых приборов»; рук. темы В.В. Колос. – Минск,
2008. – 62 с. – № ГР 2006-2456.
22. Process BKM. Aluminum Planarization. #0250-22277 Rev. A – Santa Clara, CA, US:
Applied Materials, Inc., 1996. – 23 p.
23. Gambino J. at al. Integration of Copper with Low-k Dielectrics for 0.13 μm Technology //
9th IPFA Conference, 2002. – P. 111–117.
24. Pye T., Rose P. Low-Dielectric-Constant Materials for Back-End-of-Line Applications //
Semiconductor FABTECH; 8th edition, 1997. – P. 203–207.
25. Gotuaco M. at al. The Case for CVD Low-kTechnology // Semiconductor Fabtech, 15th Edition,
2001. – P. 179–183.
26. Gupta Tapan. Copper Interconnect Technology. – Springer, 2009. – 433 p.
27. Lee H.-B. at al. A Highly Reliable Cu Interconnect Technology for Memory Device //
IEEE International Interconnect Technology Conference. – 2007. – P. 64–66.
28. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В двух книгах. Кн. 1 / Пер. с англ. –
М.: Мир, 1984. – 456 с.
29. Saraswat K.C. Interconnections: Copper & Low K Dielectrics // Department of Electrical
Engineering. Stanford Un iversity [Electronic resource]. – 2005. – Mode of access:
http://www.stanford.edu /class/ee311/NOTES/Interconnect_Cu.pdf. – Date of access:
14.09.2010.
30. Loke A. at al. Copper Drift in Low-K Polymer Dielectrics for ULSI Metallization //
Symposium on VLSI Technolog y Digest of Technical Papers. – Honolulu, Hawaii: 1998. –
P. 26–27.
31. Gossett L. et al. Methods to improve EM life time // International Interconnect Technology
Conference 2006. – San Fransico, 2006. – P. 84.
32. Bai G. et al. Effectiveness and reliability of metal diffusion barriers for copper interconnects
// Mat. Res. Soc. Symp. Proc. – 1996. – V. 403. – Р. 501–506.
33. Braud F. et al. Ti-diffusion barrier in Cu-based metallization // Appl. Surf. Sci. – 1995. –
V. 91. – P. 251–256.
Предлагаемая вниманию читателей книга ориентирована на достаточно широкую
аудиторию – от студентов, аспирантов и преподавателей технических вузов, спе-
циализирующихся в области микроэлектроники, до инженеров – разработчиков
микросхем и электронных систем на их основе, инженеров-технологов сборочных
производств, сотрудников исследовательских лабораторий и академических инсти-
тутов, руководителей предприятий радиоэлектронной отрасли.
Такой широкий диапазон целевой аудитории книги обусловлен предметом ав-
торского исследования – анализом современного состояния, тенденций, методов
и инструментов развития одного из фундаментальных направлений современной
микроэлектроники – технологий корпусирования (сборки) микросхем и полупро-
водниковых приборов.
Благодаря развитию технологий человечество постоянно продвигается к новым
вехам, называемым в технологической истории «промышленные революции». Если
первая промышленная революция ознаменовалась использованием для нужд произ-
водства энергии пара и воды, вторая – массовым распространением конвейерного
производства с применением уже электрической энергии, третья – внедрением
автоматических компьютерных систем, то век XXI характеризуется уже четвертой
промышленной революцией, получившей название «Индустрия 4.0».
Этот этап развития характеризуется очевидным усилением лидирующей роли
микроэлектроники в развитии научно-технического прогресса. Более того, в по-
следнее десятилетие микроэлектроника является и явным лидером в области
конвергенции (взаимного проникновения различных научно-технических на-
правлений), обеспечивая технологический базис (основу) для развития различных
отраслей, начиная с энергетики, машиностроения, систем связи и навигации,
банковской системы, космического приборостроения, систем вооружения и во-
енной техники и т.д.
Обострение геополитической ситуации, бесславный конец эры глобализации
экономики, санкции и запреты на поставки высоких технологий и практически
всех типов микросхем и полупроводниковых приборов в Россию и Беларусь при-
дали новый импульс развитию отечественной микроэлектроники. Только развитие
собственного производства микроэлектронных приборов, модулей и систем может
обеспечить реальную безопасность независимого государства в целом, безопас-
ность национальной экономики и обороноспособность как основы государствен-
ности.
Правительства России и Беларуси, понимая приоритетность решения этой
задачи для обеспечения национальной безопасности, ежегодно выделяют не-
обходимые материальные и финансовые ресурсы, но эти ресурсы пока не могут
обеспечить в полной мере решение одной из ключевых проблем – подготовки
инженерных кадров – специалистов по проектированию (дизайнеров) и по орга-
низации серийного производства (инженеров-технологов) современных микро-
электронных приборов.
На момент выхода в свет этой книги в высших учебных заведениях России
и Беларуси, имеющих собственное полупроводниковое производство и со-
12 Предисловие
ответствующую инфраструктуру (вузы, исследовательские центры, академические
институты), ведется целевая подготовка студентов, аспирантов и магистрантов бо-
лее чем по 50 специальностям, непосредственно связанным с полупроводниковой
промышленностью.
В зависимости от основной специализации по будущему месту работы молодого
специалиста в области микроэлектроники все известные учебные курсы ориентиро-
ваны на две условные категории: инженеры-технологи и инженеры-разработчики.
Это деление весьма условно, но широко используется в практической деятельности.
Так, инженеры-технологи обычно занимаются разработкой технологических марш-
рутов и непосредственно организацией управления технологическими процессами
в серийном производстве, а инженеры-разработчики (дизайнеры) занимаются
проектированием различных полупроводниковых изделий, которые затем будут
изготовлены в этом серийном производстве.
Как показывает опыт авторов, много лет работающих в полупроводниковой
отрасли, после получения диплома вуза бывшему студенту необходимо проработать
в коллективе не менее 3–4 лет, чтобы стать инженером-разработчиком, способным
самостоятельно выполнять проекты по разработке интегральных микросхем сред-
ней степени сложности.
А чтобы стать действительно квалифицированным инженером-технологом,
способным самостоятельно решать вопросы увеличения процента выхода годных
изделий, повышения их надежности, разработки новых технологических марш-
рутов изготовления современных микроэлектронных изделий, требуется 5–7 лет
практической работы в коллективе после окончания вуза.
Такая ситуация обусловлена двумя основными факторами – спецификой
профессии инженера-технолога и недостатком адекватных тематике учебников и
учебных пособий
Особенность профессии заключается в том, что квалифицированному специ-
алисту в этой сфере действительно необходимо обладать исключительно широким
кругозором знаний – физики твердого тела, химии (электрохимия, плазмохимия),
математики, физики, электротехники, оптики, теории планирования многофак-
торных экспериментов при поиске оптимальных условий, современных методов
математического и статистического анализа, владеть практическими навыками
применений сложного аналитического оборудования (ИК-спектрометрия, оже-
спектрометрия, растровая электронная микроскопия, эллипсометрия, атомная
силовая микроскопия) и многим другим.
Однако общим для всех этих различных групп и специализаций инженеров
является то, что все они должны глубоко понимать суть выполняемых процессов,
знать физические принципы построения и особенности работы многочисленного
технологического и испытательного оборудования, хорошо разбираться в аналити-
ческом оборудовании и современных методах анализа, хорошо знать и использовать
в своей работе основные физические модели многочисленных технологических
операций.
В качестве наиболее удачного примера зарубежного учебного пособия для
студентов и специалистов в области полупроводниковой технологии можно при-
вести фундаментальный труд Semiconductors: Technical Information, Technologies and
Предисловие 13
Characteristic Data, опубликованный издательством Wiley в Германии в 2000 г. и вы-
державший более десяти актуализированных изданий.
Это издание было подготовлено штаб-квартирой одного из мировых лидеров
в области полупроводниковой технологии и ее применений – фирмы Infinion
Technologies AG, и представляет собой фактически универсальное справочное по-
собие для ученых и инженеров, специализирующихся в области высоких техноло-
гий полупроводниковых изделий, состоящее из отдельных глав по конкретным
направлениям, подготовленных большим автор ским коллективом ученых и
специалистов с мировым именем под общей редакцией председателя правления
этой крупнейшей международной корпорации профессора Ульриха Шумахера.
Несомненным достоинством этой книги является то, что авторы в пределах одной,
хотя и достаточно объемной монографии сумели талантливо изложить в ней все
современные тенденции, веяния и достижения в области полупроводниковых
технологий.
Очевидно, что в рамках только одного учебника или учебного пособия прак-
тически невозможно охватить все аспекты знаний, необходимых для подготовки
как инженера-дизайнера, так и инженера-технолога.
Поэтому по нашей инициативе в 2020 г. в издательстве «Техносфера» вы-
шла в свет книга «Основы проектирования субмикронных микросхем» (авторы
Белоус А.И., Красников Г.Я и Солодуха В.А.), материалы которой широко ис-
пользуются в учебных курсах по подготовке будущих отечественных инженеров-
дизайнеров. С разрешения авторов в 2021 г. эта книга была издана на английском
языке в авторитетном международном издательстве Springer Nature под назва-
нием The Art and Science of Microelectronic Circuits Design (https://link.springer.com/
book/10.1007/978-3-030-89854-0) и в 2022 году по лицензированному соглашению
была опубликована издательством Пекинского технологического университета на
китайском языке.
В 2007 году в издательстве «Техносфера» вышла книга А. Медведева «Сборка
и монтаж электронных устройств», посвященная описанию технологических
процессов, материалов и оборудования, используемых в сборочно-монтажном
производстве, которая была предназначена в первую очередь для начинающих
специалистов и студентов технических вузов по специальности «конструирова-
ние и технология производства электронной аппаратуры». Эта книга приобрела
достаточно широкую популярность у читателей, поскольку была написана по
материалам зарубежной периодической печати, международных конференций и,
что важно, по результатам опыта работы наиболее высокотехнологичных на тот
момент предприятий отрасли.
За прошедший период появились новые технологии сборки и монтажа, но-
вые конструкции корпусов, новые материалы, а главное – существенно выросли
трудоемкость и сложность новых техпроцессов, их стоимость. Так, в зависимости
от назначения микросхемы и использованной технологии корпусирования доля
стоимости сборочных операций может достигать 30% и более в себестоимости
конечного изделия.
Специалисты в этой области различают два термина – «монтаж кристалла» и
«сборка микросхемы».
14 Предисловие
Монтаж и сборка – это часть общего технологического процесса изготовления
микросхемы, в результате которого получают готовую конструкцию микросхемы,
т.е. готовое изделие.
Процессы операции монтажа и сборки являются наиболее трудоемкими в
технологии производства микросхемы. Если при изготовлении кристаллов широ-
ко применяются высокопроизводительные групповые методы, то при монтаже и
сборке оперируют с каждой отдельной микросхемой.
Технологическим процессом монтажа кристаллов обычно называют совокуп-
ность операций по ориентированному разделению пластин и подложек со сфор-
мированными элементами на отдельные кристаллы или платы, присоединение их
на основаниях корпусов, посадочных площадках выводных рамок и т.д.
Технологическим процессом сборки микросхем и модулей называют совокуп-
ность операций, направленных на получение электрических соединений контакт-
ных площадок кристалла со следующим коммутирующим уровнем, т.е. с выводами
рамок, гибких носителей, оснований корпусов, либо с контактными площадками
подложек плат с последующей герметизацией (защитой кристалла от внешних
воздействующих факторов). Различают герметизацию оснований корпусов с ис-
пользованием крышки – микросхема со свободным внутренним объемом либо бес-
корпусная – формирование защитных покрытий путем заливки смонтированного
кристалла (как правило, его рабочей поверхности) специальным герметизирующим
покрытием (герметиком).
В России имеется достаточно широкий круг отечественных монографий,
справочников, учебников и учебных пособий по определенным направлениям и
областям развития современных микроэлектронных технологий, ежегодно только
в отечественной печати выходит более сотни научных статей, посвященных отдель-
ным актуальным аспектам развития полупроводниковых технологий.
В частности, можно привести фундаментальную монографию «Конструктивно-
технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов» (Красников Г.Я.,
издание 2-е, исправленное. Москва: Техносфера, 2011. – 800 с.), в которой были
детально рассмотрены особенности работы субмикронных МОП-транзисторов,
технология формирования под затворных диэлектриков, механизмы влияния техно-
логических процессов изготовления (ионного легирования, плазменной об работки,
переноса изображения) на деградацию подзатворного диэлектрика, различные
конструкции современных субмикронных МОП-транзисторов.
Понятно, что современную технологию сборки и современную конструкцию
корпусов может разработать только инженер, владеющий всеми современными
технологическими знаниями в этой сфере науки и техники и изучивший практи-
чески опыт «старших товарищей». А эти знания инженер, студент, преподаватель
может получить только двумя путями – передачей опыта от «старших товарищей»
и изучением соответствующей научно-практической и учебно-методической
литературы.
По понятным причинам (жесткая конкуренция на мировом рынке производите-
лей корпусов, санкционные ограничения) подобные публикации обычно являются
«документами для внутрифирменного пользования», а «старшее поколение», к
сожалению, не владеет всеми ноу-хау современных технологий сборки.
Предисловие 15
Более того, сегодня на первый план выходит новая проблема – тестирование
современных сложнофункциональных микросхем, систем на кристалле и систем в
корпусе. В отечественной литературе пока нет серьезных публикаций, посвященных
концепциям, методам и инструментам тестирования таких устройств.
Поэтому авторы настоящей фундаментальной монографии поставили перед со-
бой амбициозную цель – на основании сбора, систематизации и анализа отечествен-
ной и зарубежной научно-технической информации подготовить книгу, которая
являлась бы одновременно и аналитическим обзором лучших мировых достижений
в этой области микроэлектроники, и практическим руководством/справочником
(настольной книгой) для инженеров – технологов серийного производства, и учеб-
но-методическим пособием для студентов и преподавателей профильных вузов.
Насколько авторам удалось справиться с этой комплексной проблемой, решать
читателям.
Материал книги предоставлен в виде 11 тематических глав, последовательно
описывающих основные этапы технологического маршрута корпусирования – от
этапа формирования многоуровневой металлизации на кристалле до герметизации
и выходного тестирования микросхем.
Глава 1 посвящена описанию особенностей технологии формирования много-
уровневой металлизации на кристалле микросхем, поскольку именно от уровня
качества формирования этой металлизации во многом зависит и качество после-
дующих операций сборки.
ГВ главе 2 детально описываются технологии разделения пластин на кристаллы
и их подготовки к последующему корпусированию (микромонтажу).
Глава 3 посвящена описанию наиболее распространенных в мире технологий
пайки и сварки полупроводниковых приоров и микросхем. Кроме теоретических ос-
нов здесь приведены конкретные практические рекомендации – вплоть до указания
типов оборудования и режимов пайки и сварки, даны конкретные рекомендации
по выбору припоев, флюсов и т.д.
В главе 4 рассматриваются различные методы и технологии защиты арматуры
на сборочных операциях в условиях серийного производства.
Глава 5 посвящена особенностям технологии герметизации корпусов микросхем.
Здесь детально рассмотрены технологические маршруты герметизации корпусов
сваркой, пайкой, пластмассами, различные варианты бескорпусной герметизации.
Особое внимание уделено методам решения актуальной проблемы контроля гер-
метичности корпусов и причинам приборов.
В главе 6 детально рассмотрены основные конструктивно-технологические
характеристики и методы формирования различных типов корпусов для изделий
интегральной электроники, включая методические рекомендации по построению
систем оценки и управления качеством микросхем, анализ достоинств и недостатков
технологий изготовления различных типов корпусов.
Глава 7 носит обзорный характер и посвящена теоретическим и практическим
аспектам реализации базовых технологий микромонтажа современных микро-
электронных устройств.
Глава 8 посвящена вопросам конструирования и технологии изготовления
различных полупроводниковых силовых модулей, а также описанию технических
16 Предисловие
характеристик базового технологического оборудования, необходимого для орга-
низации их серийного производства.
В главе 9 изложены теоретические основы методов прецизионного измере-
ния одного из важнейших контролируемых параметров микросхем – теплового
сопротивления. Здесь же приведено описание наиболее широко используемых в
производстве экспериментальных методов измерения теплового сопротивления.
Впервые в отечественной научно-технической литературе описаны концепции,
методы, инструменты и оборудование для калибровки испытуемых устройств в
диапазоне температур.
Также впервые в отечественном издании здесь подробно рассмотрены современ-
ные методы измерения теплового сопротивления для гибридных и микрокристаль-
ных компонентов на основе принципа линейной суперпозиции, указаны основные
источники погрешностей и даны рекомендации по их снижению и компенсации.
В главе 10 также впервые в отечественной научно-технической печати на основе
данных дорожной карты гетерогенной интеграции IEEE детально рассмотрены
концепции, технологии, методы и инструменты тестирования собранных в корпус
микросхем, систем в корпусе и систем на пластине.
В главе 11 приведены технические характеристики основных типов зарубеж-
ного и отечественного оборудования, которое применяется на этапах финишной
сборки полупроводниковых приборов и микросхем различного функционального
назначения.
Благодарности
Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам – академику Нацио-
нальной академии наук Беларуси, избранному иностранному члену Российской
академии наук Лабунову В.А. и заместителю генерального директора НИИМЭ
д.т.н. Эннсу В.И., а также первому заместителю генерального директора холдинга
«ИНТЕГРАЛ» Дудкину А.И., д.т.н., профессору БГУИР Ланину В.Л., заместителю
главного технолога по сборке холдинга «ИНТЕГРАЛ» Герасимову В.А., критические
замечания и полезные советы которых во многом способствовали появлению книги
именно в этом формате.
Авторы также выражают благодарность к.т.н. Наливайко О.Ю., директору ОАО
«Планар-СО» Середе А.М., начальнику НТЦ сборочного оборудования, к.т.н.
Петухову И.Б. и ведущему специалисту фирмы «ДМТ Трейдинг» Тараканову Н.Н.
за предоставленные оригинальные текстовые и графические материалы, которые
были использованы при написании этой книги, а также Перепелице Д.В. и Кар-
ташовой Е.Н. за помощь в подготовке материалов к печати.
ÃËÀÂÀ 1
ÎÑÍÎÂÛ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÔÎÐÌÈÐÎÂÀÍÈß
ÌÍÎÃÎÓÐÎÂÍÅÂÎÉ ÌÅÒÀËËÈÇÀÖÈÈ
В основу этой главы положены материалы, предоставленные авторам
к.т.н. Наливайко О.Ю. (ОАО «ИНТЕГРАЛ», г. Минск)
1.1. Краткая история развития технологии
формирования многоуровневой металлизации
интегральных микросхем
Каждое новое поколение микросхем сопровождалось процессом уменьшения гео-
метрических размеров базовых элементов, что позволяло обеспечивать постоян-
ное увеличение количества функций интегральной схемы. Уменьшение размеров
базовых элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов) повлекло за собой
решение целого комплекса задач, связанных с необходимостью поиска новых
способов создания электрических соединений элементов в схеме и использования
большого количества слоев (уровней) металлических проводников, соединенных
между собой определенным образом. Структура современной системы металлиза-
ции микрос хем показана на рис. 1.1.
Различают шесть основных типов многоуровневой металлизации [1]:
– контактную систему к полупроводниковым областям;
– межсоединения;
Контакт к поликремнию
Пассивация
Третий уровень металлизации
Межуровневый контакт
Второй уровень металлизации
Межуровневый диэлектрик
Первый уровень металлизации
Контакт к кремнию
Рис. 1.1. Структура многоуровневой металлизации микросхемы
18 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
– слои межуровневого диэлектрика;
– межуровневые контакты;
– слой пассивации;
– контактные площадки.
Контактная система металлизации представляет собой совокупность омических
и выпрямляющих контактов к монокристаллическому и поликристаллическому
кремнию.
Межсоединения – это проводящие дорожки, состоящие из одного или несколь-
ких слоев металлических пленок и располагающиеся на одном или нескольких
уровнях системы металлизации.
Межуровневый диэлектрик – материал, электрически разделяющий межсоеди-
нения различных уровней.
Межуровневые контакты – это локальные контакты между проводниками со-
седних уровней, выполненные в слоях межуровневого диэлектрика.
Слой пассивации представляет собой диэлектрический слой, защищающий про-
водники верхнего уровня межсоединений.
Контактные площадки – расположенные по периферии кристалла участки
верхнего уровня разводки, обеспечивающие электрическую связь внутренней ме-
таллической разводки кристалла с внешними соединениями (корпусом).
Исторический период развития системы металлизации кремниевых интеграль-
ных схем можно условно разделить на четыре основных этапа.
На первом этапе металлизация ИС была одноуровневой и основу ее составлял
только один материал – алюминий (рис. 1.2). Для исключения обрывов металлизации
на рельефе активной структуры тогда использовалась операция планаризации рельефа
методом оплавлен ия легированных стекол – борофосфоросиликатного стекла (БФСС).
На втором исторческом этапе развития появляется многоуровневая металли-
зация, в которой несколько уровней (слоев) металла разделяются межуровневым
(межслойным) диэлектриком. Уровни металла соединяются между собой меж-
уровневыми контактами. Для улучшения качества второго и последующих уровней
металлизации и облегчения процессов формирования микрорисунка в этих слоях
используется специальная технология планаризации межуровневого диэлектрика
полиимидом или жидкими стеклами (Spin on Glass). Такие методы планаризации
позволяют сгладить рельеф в узких зазорах между элементами микросхемы (микро-
рельеф), при этом макрорельеф поверхности остается прежним (рис. 1.3). По такой
базовой технологии можно формировать не более трех уровней металлизации.
Контакт к кремнию
Кремний
Металл
ПКК
ПКК
Локальный окисел
Рис. 1.2. Одноуровневая металлизация на основе алюминия
1.1. Краткая история развития технологии формирования многоуровневой 19
металлизации интегральных микросхем
Поскольку при этих методах планаризации макрорельеф поверхности сохраня-
ется, это не приводит к существенным различиям в толщине межуровневого диэ-
лектрика в области межуровневых контактов и позволяет формировать контакты.
Существенной проблемой при использовании методов планаризации меж-
уровневого диэлектрика полиимидом или жидкими стеклами является сильная
зависимость характеристик процесса планаризации от топологических размеров
металлических проводников и зазоров между ними. Эта проблема обычно решается
путем разработки специальных правил проектирования топологии интегральных
микросхем, в частности использованием регулярной структуры топологии с че-
редованием металлических проводников и зазоров одинакового размера, что на
практике не всегда представляется возможным.
Еще одна проблема такой технологии – наличие органических компонентов
в полиимидах и жидких стеклах, что может вызывать деградацию межуровневых
контактов и нарушения в структуре межуровневых диэлектриков.
На этом этапе развития технологии глубина залегания p-n-переходов относи-
тельно поверхности было существенно уменьшена. Для исключения деградаци-
онных явлений в контактах к мелкозалегающим p-n-переходам использовались
контактные слои силицидов металлов, а также адгезионные и барьерные слои
тугоплавких металлов, задачей которых являлось исключение взаимодействий
алюминия со слоями силицидов, кремния, а также планаризирующими слоями
полиимидов и жидких стекол.
Значительным шагом вперед по пути совершенствования многоуровневой метал-
лизации явилось создание технологии планаризации диэлектрика химико-механиче-
ской полировкой, которая фактически ликвидирует как микро-, так и макрорельеф
поверхности, хотя при этом возникает значительная разница в глубинах контактов
к кремнию и слоям поликремния. А именно: контакты к кремнию становятся очень
«глубокими». Для заполнения таких «глубоких» контактов потребовалось создание
новой технологии формирования вольфрамовых «столбиков» в контактах (глава 6)
и специальные методы напыления контактных и барьерных слоев металлов и со-
единений, например когерентное или ионизированное магнетронное напыление
или же методы осаждения металлических пленок из газовой фазы.
Кремний
Силицид
Второй уровень металла
Первый уровень
металла
Межуровневый контакт
Слой оплавленного стекла
ПКК
Макрорельеф
поверхности
Спланированный
микрорельеф
ПКК
Локальный окисел
Рис. 1.3. Двухуровневая металлизация с планаризацией межуровневого диэлектрика
жидким стеклом
20 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Технология химико-механической полировки диэлектриков в сочетании с
вольфрамовыми «столбиками» (рис. 1.4) теоретически позволяет формировать
сколь угодно много уровней ме таллизации. На практике количество уровней огра-
ничивается дефектностью слоя, то есть технико-экономической эффективностью
производства микросхем.
Если на всех первых трех этапах развития основным материалом межсоедине-
ний являлся алюминий, то на четвертом этапе при уменьшении проектных норм
до 0,25 мкм и менее алюминий заменялся медью для уменьшения сопротивления
межсоединений и повышения быстродействия интегральных микросхем. Исполь-
зование меди потребовало существенного изменения технологических методов
формирования элементов многоуровневой металлизации, часть из этих методов
будут рассмотрены ниже.
1.2. Основные требования к многоуровневой
металлизации
Основным требованием к внутренним электрическим межсоединениям является
обеспечение минимального времени распространения сигнала в цепях микро схем.
Кремний
Силицид
Второй уровень металла
Первый уровень металла
Межуровневый контакт
(вольфрамовый столбик)
ПКК
ПКК
Разно&
высотность
контактов
Спланированный
диэлектрик
Спланированный диэлектрик
Локальный окисел
Рис. 1.4. Структура многоуровневой металлизации с планаризацией межуровневого
диэлектрика химико-механической полировкой (ХМП)
Диэлектрик Металл
R
W
LS
C
L
H
Рис. 1.5. Паразитные сопротивления и емкости в системе межсоединий интегральных
микросхем
1.2. Основные требования к многоуровневой металлизации 21
Дело в том, что в системе металлических проводников возникают дополнительные
(паразитные) элементы – сопротивления (R) и емкости (С), как упрощенно по-
казано на рис. 1.5.
Величина времени задержки сигнала в этом случае пропорциональна произ-
ведению R · C. Величина паразитного сопротивления определяется выражением
(1.1)
где ρ – удельное сопротивление металла; L, W, H – соответственно длина, ширина
и толщина металлического проводника.
Величина паразитной емкости определяется выражением
(1.2)
где ε – диэлектрическая постоянная диэлектрика; LS – ширина зазора между про-
водниками.
Тогда величину задержки распространения сигнала (τ) на проводниках метал-
лизации межсоединений можно определить из выражения
(1.3)
Поэтому для обеспечения требуемого уровня быстродействия интегральных
микросхем необходимо использовать:
– минимальное удельное сопротивление металлических проводников;
– минимальную длину линий металлических проводников;
– минимальное значение диэлектрической постоянной материала межуров-
невого диэлектрика;
– достаточно высокую температуру плавления материалов проводниковых
соединений.
Кроме того, необходимо, чтобы используемые материалы удовлетворяли целому
ряду дополнительных требований, а именно:
– высокая стойкость к электромиграции;
– механическая стабильность и высокая адгезия к сопрягаемым технологиче-
ским слоям (например к слоям межуровневого диэлектрика);
– согласованные с сопрягаемыми технологическими слоями коэффициенты
термического расширения, малые остаточные напряжения и стойкость к
стресс-миграции;
– стойкость к коррозии и низкая химическая активность;
– совместимость с сопрягаемыми технологическими слоями и процессами их
формирования;
– экологическая безопасность материалов и процессов в производстве и ути-
лизации.
Основные свойства некоторых металлов, применяемых в производстве инте-
гральных микросхем для создания проводников, приведены в табл. 1.1.
22 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Таблица 1.1. Свойства металлов, используемых в процессе формирования металлизации интегральных
микросхем [2]
Металлы и их свойства Cu Ag Au Al W
Удельное сопротивление, мкОм·см 1,67 1,59 2,35 2,66 5,65
Модуль Юнга, 10–11 дин/см2 12,98 8,27 7,85 7,06 41,1
Уде льная теплопроводность, Вт/см 3,98 4,25 3,15 2,358 1,74
Коэффициент термического расширения,
106/°C 17 19,1 14,2 23,5 4,5
Температура плавления, °C 1085 962 1064 660 3387
Теплоемкость, Дж·кг–1·К–1 38 234 132 917 138
Коррозионная стойкость Плохая Плохая Отличная Хорошая Хорошая
Адгезия к SiО2 Плохая Плохая Плохая Хорошая Плохая
Термические напряжения на Si, 107 дин/см2/°C 2,5 1, 9 1,2 2,1 0,8
1.3. Особенности технологии формирования
металлизации на основе алюминия
Алюминий многие годы оставался одновременно и контактным материалом к по-
лупроводнику, и материалом межсоединений в силу целого ряда ценных свойств,
среди которых можно выделить [1]:
– низкое удельное сопротивление (2,65 мкОм·см);
– хорошую адгезию к диэлектрикам;
– достаточно высокую коррозионную стойкость благодаря пассивирующему
его оксиду;
– способность образовывать низкоомные невыпрямляющие контакты с р+-
и n+-Si.
Недостатки алюминия определяются особенностями его физико-химического
взаимодействия со слоями Si и SiО2:
– активное взаимодействие с кремнием в области контактного окна при термо-
обработке;
– высокая подверженность электромиграции.
Ниже рассмотрим более подробно особенности этого материала.
1.3.1. Эффекты взаимодействия алюминия с кремнием
В результате анализа брака первых микросхем с минимальными размерами эле-
ментов было установлено, что основной причиной наблюдательных частых отказов
ИС с алюминиевой металлизацией стало закорачивание р-п-переходов в результате
выполнения операции термообработки.
Cистема Al–Si имеет равновесную фазовую диаграмму эвтекти ческого типа,
как показано на рис. 1.6.
Как материал А1 практически не растворяется в Si, в то время как в алюминии
может растворяться до 1,65 ат.% кремния. Эвтектика плавится при температуре
577 °C. Результатом таких взаимодействий могут быть «проколы» (короткие за-
мыкания) р-n-переходов транзисторов.
1.3. Особенности технологии формирования металлизации на основе алюминия 23
Многочисленными исследователями было экспериментально установлено,
что проколы р-n-переходов непосредственно связаны с пустотами, образующи-
мися в результате неоднородного растворения кремния в алюминии. Селективное
удаление пленки алюминия с поверхности подложки в области контактного окна
после термообработки при 470 °C в течение 30 мин. действительно обнаруживает
глубокие пустоты в кремнии (РЭМ-микрофотография на рис. 1.7). Эти пустоты
10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
вес.%
Si, вес.%
700
600
500
400
300
200
100
0
800
700
600
500
400
Si, ат.%
12,1 (12,5)
ат.%
630
610
590
570
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
660
(Al)
Al
(Al)
11,3 (11,7)
0,16 (0,17)
(Al)+Si
577
1,59
(1,69)
577,2
1414
Si
0,5 1,0 1,5 2,0
5 10 15
577
Рис. 1.6. Равновесная фазовая диаграмма Al–Si [3]
Рис. 1.7. Морфология поверхности ИС в области контактного окна после термооб-
работки при 470 °C в течение 30 минут и удаления пленки алюминия [1]
24 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
заполняются алюминием с рас творенным в нем кремнием и могут привести к ко-
роткому замыканию переходов [1].
Как показали результаты исследований, глубина проникновения алюминия
вглубь кремния, оцениваемая по глубине пустот в локальных местах области кон-
такта, практически не изменяется в диапазоне 300–500 °C и составляет 40–90 нм.
В диапазоне температур от 500 до 577 °C происходит резкий рост глубины проник-
новения до 1,25–1,45 мкм. Столь неоднородное растворение кремния и заполне-
ние образующихся пустот алюминием, а также отмеченный резкий рост глубины
проникновения алюминия вглубь кремния в диапазоне от 500 до 577 °C вызваны
появлением жидкой фазы, которая «проплавляет» кремний, хотя стандартная тем-
пература термообработки обычно ниже, чем температура плавления эвтектики [1, 6].
В работе [1] указывается, что одной из причин появления жидкой фазы при по-
ниженной температуре могут стать «локальные очаги» с температурой выше 577 °C,
необходимой для появления жидкой фазы. Указанные локальные очаги образуются
в результате сильной экзотермической реакции между алюминием и остаточным
естественным оксидом кремния:
3SiО2 + 4Аl → 3Si + 2Аl2О3. (1.4)
За счет этой реакции освобождается энергия 220 кДж на 1 моль реагирующего
оксида. Перед процессом нанесения пленки алюминия производится операция
удаления естественного оксида. Однако, как показали исследования, на поверхно-
сти кремния все же остается остаточный оксид SiOx [7], неоднородный по толщине
(0,4–3 нм) и своим свойствам. Указанный слой образуется в результате неконтро-
лируемого быстрого окисления кремния под действием атмосферного воздуха [8],
в результате чего в нем содержится достаточно большое число неконтролируемых
примесей. В итоге при термообработке на различных участках кремниевой поверх-
ности интенсивность взаимодействия пленки алюминия с остаточным оксидом
оказывается различной, вызывая локальные очаги температуры выше температуры
эвтектики. Также было экспериментально установлено, что зарождение пустот на-
чинается по краям контактных окон, т.е. там, где оказывается большее количество
остаточного оксида [1].
Для снижения эффекта проплавления контактов в алюминиевую металлизацию
вводится присадка кремния в диапазоне концентраций от 0,5 до 1,5% масс. Содер-
жание кремния в сплаве выбирается на уровне или выше предела его растворимости
в алюминии при температурах последующих термических воздействий. Сплавы
Al–Si удобно наносить традиционными методами магнетронного напыления.
Вместе с тем количество растворенного кремния в пленке алюминия может
значительно превосходить то количество, которое должно раствориться в алюминии
при указанной температуре термообработки согласно диаграмме фазовых состоя-
ний. Растворение кремния в поликристаллической пленке алюминия происходит
в неравновесных условиях. Кремний как растворяется в зернах алюминия, так и
сегрегирует на межзеренных границах с большим количеством структурных дефек-
тов. На рис. 1.8а показано распределение кремния по глубине пленки толщиной
0,8 мкм, полученной магнетронным распылением мишени из сплава Al (1% Si) при
1.3. Особенности технологии формирования металлизации на основе алюминия 25
температуре подложки 200 °C. Как было показано в работах [9, 10], вблизи границы
раздела с подложкой в пленках алюминия образуется релаксационный слой с повы-
шенной концентрацией дефектов структуры. Аналогичный релаксационный слой
образуется на поверхности пленки, содержащей слой естественного Al2O3. Кремний
перераспределяется в пленке на границе раздела вследствие низ котемпературной
диффузии, стимулированной полями механических напряжений, результирующий
вектор которых направлен по нормали к поверхности. В пригран ичных областях
пленки алюминия концентрация кремния достигает 8% и более.
Глубина пленки, мкм Глубина пленки, мкм
Поверхность Поверхность
Концентрация ат.%
Концентрация ат.%
Граница с SiO2 Граница с SiO2
10
8
6
4
2
0
14
12
10
8
6
4
2
0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 0,2 0,4
а) б)
Рис. 1.8. Распределение кремния в пленке Al (1% Si) толщиной 0,8 мкм (а) и в пленке
Al (1% Si) толщиной 0,55 мкм (б) с нанесенной на поверхность пленкой αSi
толщиной 0,04 мкм
На рис. 1.8б показано распределение кремния по глубине пленки Al (1% Si) тол-
щиной 0,55 мкм, на поверхность которой в одном вакуумном процессе напыления
была нанесена пленка αSi толщиной 0,04 мкм при температуре подложки 200 °C.
Практически вся пленка αSi диффундирует на границу раздела Al–SiO2.
При формировании пленок и термических обработках на границах раздела
зерен алюминия возникает большое количество объемных структурных дефек-
тов [11]. Кроме того, экранированный радиус примесных атомов кремния в объеме
зерна алюминия больше, чем на границе раздела [12]. Эти факторы энергетически
предопределяют межкристаллитную внутреннюю адсорбцию и итоговое рас-
пределение примеси. Перераспределение примесей в пленке сплава Al–Si может
происходить как по нормали к поверхности, так и параллельно плоскости плен-
ки. Подтверждение факта перераспределения примесей также вдоль плоскости
пленки можно наблюдать по кривым относительного распределения компонентов
сплава, приведенным на рисунке в виде графиков. На границах раздела содержит-
ся минимальное количество алюминия, и, соответственно, относительная кон-
центрация кремния в этих зонах максимальная. Количественный анализ показал,
что на указанных участках концентрация Si в среднем составляет 6%, а А1 – 94%.
Эти значения существенно отличаются от исходной концентрации компонентов
в сплаве [11].
26 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Таким образом, в условиях серийного производства возникает следующая про-
блема: формирование слоя кремния, сильнолегированного алюминием (p-типа) в
области контакта алюминий – кремний.
Одним из путей решения проблем, связанных с растворением и перераспре-
делением кремния в пленках алюминия, является использование барьерных слоев
между алюминием и кремнием, а также силицидов металлов в качестве контактных
структур к кремнию.
Как следует из табл. 1.2, наилучшую термостабильность в применении к алюми-
ниевой металлизации проявляет контактный слой TiSi2 в комбинации с барьерным
слоем TiN.
Таблица 1.2. Температурная стабильность систем металлизации [13]
Структура Температура
деградации, °C Механизм деградации (продукты реакции)
Al/PtSi/Si 350 Формирование компаунда (Al2Pt, Si )
Al/TiSi2/Si 400 Диффузия (Al5Ti7Si12, Si при 550 °C)
Al/NiSi/Si 400 Формирование компаунда (Al3Ni, Si)
Al/CoSi2/Si 400 Формирование компаунда (Al9C О2, Si)
Al/Ti/PtSi/Si 450 Формирование компаунда (Al3Ti)
Al/Ti30W70/PtSi/Si 500 Диффузия (Al2Pt, Al12W при 500 °C)
Al/T iN/TiSi2/Si 550 Формирование компаунда (AlN, Al3Ti)
1.3.2. Особенности морфологии пленок металлических межсоединений
Микроструктура пленок металлов находится в сильной зависимости от соотно-
шения температуры подложки в процессе нанесения пленок (T) и температуры
плавления металла (Tm). Зонная модель структуры пленок, впервые показанная
Мовчаном и Демчишиным [14], приводи тся на рис. 1.10.
а) б)
Рис. 1.9. Микрофотографии сплава Al–Si на окисленной Si-подложке после термо-
обработки: распределение Si вдоль сплошной линии (ось концентраций
Si в относительных единицах направлена вправо) (а), рапрделение Al (ось
концентраций Al в относительных единицах направлена влево) (б) [11]
1.3. Особенности технологии формирования металлизации на основе алюминия 27
Здесь зона 1 состоит из клинообразных зерен с выпуклой куполообразной
поверхностью. Размер зерен увеличивается с ростом температуры. Для Al, темпе-
ратура плавления которого 659,7 °C , T1 ~ 7 °C. Левенсон [15] описал структуру как
колоннообразные группы зерен, разделенные пустотами. В зоне 2 формируется
столбчатая структура зерен с гладкой матовой поверхностью. Проявляются четкие
границы зерен (ширина ~ 5 Å) [16]. Ширина столбчатого кристаллического блока
увеличивается с ростом температуры. Пористость отсутствует. В зоне 3 столбчатые
зерна постепенно изменяются на равноосные (приблизительно одинаковый раз-
мер во всех направлениях) зерна относительно большого размера. Поверхность
становится шероховатой.
Шероховатость увеличивается с ростом температуры. Энергия активации для
роста зерна в пленках Al соответствует самодиффузии по границам зерен в пленке
Al [15]. Микротвердость и пластичность пленок определяются структурными осо-
бенностями зоны, в которой они были сформированы [14]. Формирование зерен
зависит как от материала пленки, так и от условий осаждения, причем указанные
закономерности изменения микроструктуры поликристаллических пленок со-
блюдаются только в условиях ограниченной подвижности атомов наносимого
материала по подложке [17].
1.3.3. Эффекты массопереноса
Массоперенос в металлических пленках системы межсоединений на кристалле
может возникать под действием разнообразных движущих сил, таких как воздей-
ствие электрического тока, градиента температуры, остаточных напряжений и т.д.
В общем случае явление массопереноса можно описать формулой (1.5) [18]:
(1.5)
где J – атомарный поток, D – коэффициент диффузии, С – атомарная плотность,
k – постоянная Больцмана, T – температура, F – движущие силы.
Электромиграция заключается в массопереносе материала металлического
проводника под действием электрического тока. Движущая сила электромиграции
Температура
подложки (Т/Тm)
Давление
аргона,
отн. ед.
Энергия частиц, эВ
а) б)
Т/Тm
–100
0
0,2 0,2
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
0,4 0,4
0,6
0,8 0,8
0,6
1,0
1,0 1
1
10
20
30
Зона 1 Зона 1
Зона 2
Зона 3 2
3
Т
Рис. 1.10. Микроструктура металлических пленок
28 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
является результатом передачи импульса от столкновения электронов с атомами
металла. Поскольку каждый атом, покинувший свою ячейку в кристаллической
структуре пленки, должен связаться с какой-либо пустотой (вакансией), электро-
миграцию часто описывают как диффузию вакансий.
Движущая сила электромиграции выражается как
Fe = z*eρj, (1.6)
где z* – эффективный заряд или эффективная валентность, e – заряд электрона,
ρ – удельное сопротивление, j – плотность тока [18]. Строго говоря, F и j – это
векторы, но для упрощения здесь они рассматриваются как скалярные величины.
Практический эффект массопереноса в процессе электромиграции выражается
в образовании пустот и бугорков в металлической пленке, как показано на рис. 1.11.
В этом случае массоперено с происходит по направлению потока электронов, то
есть полости образуются вблизи отрицательного полюса проводника, а бугорки –
вблизи положительного полюса.
Полость
Бугорок
Al
SiO2
Поток
электронов
Рис. 1.11. Массоперенос под действием электромиграции
Как видно из формулы (1.6), движущая сила электромиграции находится в
прямой зависимости от величины плотности тока в проводнике. Для алюминиевых
проводников критическими считаются плотности тока от 2 до 5 А/см2.
Учитывая, что в поликристаллических пленках диффузия происходит преиму-
щественно по границам зерен, содержащим существенное количество вакансий,
большое значение для эффектов массопереноса имеет морфология пленки. Для
снижения массопереноса желательно иметь протяженные зерна с минимальным
количеством межзеренных границ.
Другим способом снижения массопереноса в пленках алюминия является
использование добавки в алюминий примесей с ограниченной растворимостью,
например меди или титана. Часто используются сплавы Al (0,5% Cu), Al (0,25% Cu,
0,1% Ti) и т.д. Атомы меди или титана высаживаются на границах зерен, тем самым
затрудняя диффузию алюминия и формирование структурных н еоднородностей в
пленке. На рис. 1.12 показано, что добавка меди в сплав алюминия позволяет на
несколько порядков увеличить время наработки на отказ при испытаниях метал-
лизации на электромиграцию.
Еще одним способом уменьшения электромиграции может быть использование
многослойных структур со слоями тугоплавких металлов, как показано на рис. 1.13.
1.3. Особенности технологии формирования металлизации на основе алюминия 29
Нужно отметить, что формирование полостей в процессе электромиграции носит
прогрессирующий лавинообразный характер. В области образовавшихся мелких
полостей локально увеличивается плотность тока, что, в свою очередь, ускоряет
процесс массопере носа в этой области. Использование слоев металлов с высокой
температурой плавления позволяет шунтировать мелкие структурные неодно-
родности алюминиевой пленки и подавлять формирование бугорков, тем самым
замедляя электромиграционные процессы.
В общем случае термомиграция определяется как массоперенос за счет градиен-
та температур. Движущая сила термомиграции описывается выражением (1.7) [18]:
(1.7)
где Q* – термоперенос, который может быть как положительным, так и отрицатель-
ным. Теоретически показано, что Q* и показатель электромиграции z* тесно взаи-
Накопленные отказы, %
10 000
1000
100
10
1,0
0,1
Наработка на отказ, ч
Al–Si (2%)
Al–Si (2%)–Cu (1%)
Al–Si (2%)–Cu (4%)
Сигма
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0,5 1 2 5 10 20 30 50 70 80 90 95 98 99,5
Полость
Al
Ti
Диэлектрик
Диэлектрик
Поток
электронов
Рис. 1.12. Результаты ускоренных испытаний на электромиграцию сплавов Al–Si (2%)
с концентрацией меди 0, 1 и 4%. Испытания проводились при температуре
220 °C и плотности тока 106 A/см2 [19]
Рис. 1.13. Многослойные структуры для снижения электромиграции
30 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
мосвязаны. Физический механизм термомиграции заключается во взаимодействии
термически возбужденных электронов с атомами металла. Металлы, подверженные
электромиграции, такие как алюминий, также подвержены и термомиграции.
Склонность к электро- и термомиграции определяется в первую очередь низкой
температурой плавления и высоким коэффициентом диффузии металла при низких
температурах. Наибольшую склонность к миграционным явлениям имеют такие
металлы, как Pb и Sn [20].
Стресс-миграция возникает вследствие остаточных напряжений в структуре,
связанных с различиями коэффициентов термического расширения алюминия
и сопрягающихся с ним технологических слоев. Следует отметить, что стресс-
миграция определяется не уровнем остаточных напряжений, а наличием градиента
напряжений. Если напряжения велики, но распределены равномерно в некотором
объеме, то массоперенос не происходит. При этих уточнениях движущую силу
стресс-миграции можно описать выражением (1.8) [18]:
(1.8)
где Ω – активационный объем, σ – гидростатическая компонента остаточных на-
пряжений.
Под воздействием градиента напряжений происходит диффузия ал юминия по
границам зерен поликристаллической структуры пленки. В результате этого про-
цесса происходит формирование бугорков и полостей, как показано на рис. 1.14. Из
факторов, усугубляющих стресс-миграцию, можно выделить высокие остаточные
напряжения в структуре металлизации, воздействие высоких температур, несо-
вершенные границы зерен (зона 1 на 0).
Бугорок Границы зерен
Остаточные
напряжения
сжатия
SiO2
Si&подложка
Al
Рис. 1.14. Пояснение к эффекту стресс-миграции в алюминиевых пленках
В результате стресс-миграции могут возникать как закоротки между уровнями
металлизации, так и обрывы металлических проводников. Неровная поверхность
металла может создавать дополнительные проблемы при формировании микро-
рисунка топологии кристалла.
Последствия стресс-миграции, так же как и последствия электромиграции,
можно снизить добавкой в алюминий примесей с ограниченной растворимостью.
Вместе с тем использование многослойных покрытий может активировать процес-
сы стресс-миграции за счет внесения дополнительных механических остаточных
напряжений в систему металлизации.
1.3. Особенности технологии формирования металлизации на основе алюминия 31
1.3.4. Технологические особенности операции заполнения металлом
контактных окон
При уменьшении проектных норм требовалось разработать также и новые подходы
к формированию самих элементов интегральных схем, в том числе многоуровневой
металлизации. Основные проблемы, возникающие при формировании металлиза-
ции, можно выстроить в следующей логической последовательности:
– для формирования микрорисунка субмикронного размера, в связи с суще-
ствующими ограничениями по глубине фокусировки мультипликаторов, а
также ограничениями по толщине фоторезиста и селективности травления
системы «металл – фоторезист», необходимо минимизировать микрорельеф
в системе металлизации;
– минимизация микрорельефа (планаризация) любыми известными способами
неизбежно приводит к увеличению глубины контактов в отдельных тополо-
гических местах интегральной схемы;
– в результате этого ключевой становится проблема заполнения металлом
контактных окон с большим аспектным соотношением.
Под аспектным соотношением понимают отношение глубины к ширине
контактов. По мере увеличения аспектного соотношения заполнение контактов
металлом существенно ухудшается. Для количественной оценки качества запол-
нения контактов мета ллом вводится понятие коэффициента заполнения, который
рассчитывается как отношение толщины металлической пленки на горизонталь-
ной поверхности диэлектрика к минимальной толщине пленки в контактном
окне. Типичный коэффициент заполнения контактных окон с размером 0,9 мкм
и аспектным соотношением 1 при использовании традиционного магнетронного
метода напыления металла не превышает 20% (рис. 1.15).
Рис. 1.15. Типичный коэффициент запыления контактных окон с аспектным соот-
ношением около 1 для традиционного магнетронного напыления металла
32 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Такой уровень коэффициента заполнения находится на пределе допустимого
значения, необходимого для обеспечения надежности микросхем. При даль-
нейшем уменьшении проектных норм и увеличении аспектного соотношения
контактных окон традиционный метод магнетронного распыления становится
уже неприемлемым. Поэтому технологические методы заполнения металлом
контактных окон постоянно совершенствуются. Некоторого улучшения можно
добиться, например, при использовании когерентного магнетронного напыления
с использованием коллиматоров или ионизированным магнетронным напыле-
нием.
Например, для заполнения алюминием контактных окон с высоким аспектным
соотношением фирмой Applied Materials была разработана так называемая техно-
логия «горячего» алюминия.
Суть технологии заключается в следующем. Частицы (атомы или кластеры)
распыленного металла, попадая на подложку, могут в зависимости от соотношения
энергий частицы и подложки: а) отразиться от подложки, б) сразу закрепиться на
подложке, в) некоторое время мигрировать по поверхности подложки и закрепиться
в некоторой потенциальной яме. Задача процесса «горячего» алюминия состоит в
том, чтобы создать условия для максимального проявления вариа нта (в).
Технология «горячего» алюминия активно используется для создания метал-
лических соединений между элементами схемы и формирования встроенных
алюминиевых контактов с полным заполнением контактных окон. По этой тех-
нологии формируются как контакты к подложке, так и контакты между уровнями
металлизации.
Процессорный модуль А4
(Process Module)
Процессорный модуль А5
(Process Module)
Процессорный модуль А6
(Process Module)
Транспортный модуль ТМ А0
(Transfer Module)
Процессорный модуль А3
(Process Module)
Процессорный модуль А2
(Process Module)
Cдвоенный кассетный модуль А1
DCM (Dual Cassete Module)
Камера перегрузки пластин
WHC (Wafer Handler Chamber)
Камера загрузки – выгрузки LL2
(Load&Lock 1)
Кассетный элеватор СЕ2
(Cassete Elevator 1)
Камера загрузки – выгрузки LL1
(Load&Lock 1)
Кассетный элеватор СЕ1
(Cassete Elevator 1)
Станция дегазации
HS2 (Handoff Station 2) Degas
Станция охлаждения
HS1 (Handoff Station 1) Cool
Сенсорные мониторы
А6
А5
А0
А4
А3
А2
А1
HS2 HS1
Рис. 1.16. Схема многокамерной установки вакуумного напыления Varian m2i
1.3. Особенности технологии формирования металлизации на основе алюминия 33
Эта технология реализуется в многокамерных установках вакуумного напыле-
ния, один из вариантов установки такого типа показан на рис. 1.16.
Планаризация алюминия и в контактах к подложке, и в межуровневых кон-
тактах может регулироваться одним из двух основных методов: растеканием или
многошаговым нанесением. В методе растекания алюминий наносится на пласти-
ну в камере с традиционным магнетронным напылением, после чего пластина
перемещается в камеру нагрева и разогревается до температур от 500 до 530 °C,
чтобы обеспечить алюминий достаточной энергией растекания и, таким об-
разом, заполнить контакт. При использовании многошагового метода вначале
осаждается смачивающий слой (как правило, титан) с последующим нанесением
мелкокристаллического слоя «холодного» алюминия. Холодный алюминий на-
носится при низких температурах подложки и служит для равномерного зароды-
шеобразования следующего слоя. Далее пластина нагревается до температур от
430 до 480 °C и вновь наносится уже «горячий» алюминий, чтобы заполнить кон-
такты.
Выбор конкретного метода зависит от размера, профиля и формы контактов.
Следует отметить, что многошаговая технология напыления металла требует от-
носительно низких тепловых нагрузок по сравнению с процессом растекания.
Многошаговый технологический процесс планаризации алюминия состоит из
следующих стадий [21].
Обезгаживание пластин при высокой температуре проводится в станции дега-
зации. Температура обезгаживания должна быть приблизительно на 50 °C выше
максимальной температуры в процессе напыления последующих слоев. Задача
операции обезгаживания – удалить с поверхности пластин адсорбированные га-
зовые примеси, конденсированную влагу и возможные органические загрязнения
различного характера.
Предварительная очистка проводится в модуле, оснащенном системой высоко-
частотной очистки в атмосфере аргона. На этой стадии удаляются слои естественных
окислов с поверхности контактных окон.
Напыление смачивающего слоя титана: смачивающий слой должен иметь мелко-
кристаллическую структуру и равномерно покрывать горизонтальные и наклонные
поверхности контактных окон.
Напыление «холодного» алюминия проводится при температурах менее 100 °C и
высоких мощностях разряда (от 9 до 11 кВт).
Напыление «горячего» алюминия проводится при температурах от 430 до 480 °C
и низких мощностях разряда (от 1 до 3 кВт).
Конечый результат использования технологии «горячего» алюминия показан
на рис. 1.17 на примере контактов к кремнию (а) и контактах между уровнями
ме таллизации.
Процессы «горячего» алюминия могут варьироваться в зависимости от размеров
и формы контактных окон, применяемых в технологии интегральных микросхем,
как показано в табл. 1.3. Они отличаются относительной простотой, низкой сто-
имостью реализации и хорошо сочетаются с технологией планаризации жидкими
стеклами (0).
34 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Таблица 1.3. Технологические процессы «горячего» алюминия, рекомендованные ф. Applied Materials [22]
Структура
контактов
0,8 × 0,8 м км 0,4 × 0,8 мкм 0,6 × 1,2 мкм 0,5 × 2 мкм
Последователь-
ность слоев
Ti/TiN + холод. Al
+ растекание + TiN
Ti/TiN + холод. Al
+ гор. Al + TiN
Ti/TiN + гор. Al
+ TiN
Ti/TiN + холод. Al
+ гор. Al + TiN
Обезгаживание 515 °C, 60 с 500 °C, 60 с 490 °C, 60 с 490 °C, 60 с
Барьер 300 Ti 800 TiN 300 Ti 1000 TiN 300 Ti 1000 TiN 200 Ti 10 00 TiN
Отжиг барьерного
слоя
В печи
480°, 30 мин., N2
В печи
480°, 30 мин., N2
В печи
480°, 30 мин., N2
В печи
480°, 30 мин., N2
Смачивающий
слой (Ti) 400 400 400 500
Алюминий (холод-
ное нанесение) 7500 , 12 кВт 2500 , 12 кВт Не используется 2800 , 12 кВт
Алюминий ( горячее
нанесение)
Растекание, 120 с
(505 °C)
2500 ,
1 кВт + 4000 ,
6 кВт (490 °C)
2250 ,
12 кВт + 4250 ,
2 кВт (480 °C)
1 мкм, 2,5 кВт
(480 °C)
К недостаткам технологии «горячего» алюминия можно отнести:
– существенное укрупнение размеров зерен и микрорельефа поверхности
алюминиевой пленки, что представляет определенные проблемы при фор-
мировании итогового микрорисунка в слое металлизации;
– повышенные требования к диффузионному барьеру между алюминием и
кремнием для исключения эффекта взаимодействия алюминия с кремнием
и токов утечек p-n-переходов.
а) б)
Рис. 1.17. Фотографии алюминиевой планаризации по технологии «горячего» алюми-
ния в контактах к кремнию (а) и контактах между уровнями металлизации (б)
в микросхемах с проектными нормами 0,5 мкм ОАО «ИНТЕГРАЛ» [21]
1.4. Особенности технологии нанесения металлизации на основе меди 35
1.4. Особенности технологии нанесения металлизации
на основе меди
Основными преимуществами меди являются низкое удельное сопротивление, вы-
сокая термостабильность и стойкость к массопер еносу (табл. 1.4).
Таблица 1.4. Сопоставление свойств алюминия и меди
Металл Al Cu
Удельное сопротивление, мк Ом·см 2,66 1,67
Температура плавления, °C 660 1083
Энергия активации диффузии в кристаллической решетке, эВ 1,4 2,2
Энергия активации диффузии по г раницам зерен, эВ 0,4–0,8 0,7–1,2
Низкое удельное сопротивление меди позволяет в несколько раз снизить время
задержки сигнала в цепях интегральных микросхем по сравнению с металлизацией
на основе алюминия (рис. 1 .18).
Al + SiO2
Общая задержка
Cu + Low&k (2.0)
Общая задержка
Cu + Low&k (2.0)
Задержка межсоединений Задержка межсоединений
Al + SiO2
Задержка
шин затворов
Размер элементов, мкм
Время задержки, пс
50
40
30
20
10
987
6
5
4
3
2
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Рис. 1.18. Зависимость величины времени задержки от размера элементов в цепях
металлизации на основе алюминия и меди [23]
В соответствии с формулой (1.3) время задержки сигнала зависит как от ве-
личины сопротивления проводников, так и от диэлектрической проницаемости
изолятора. Поэтому медную металлизацию, как правило, используют совместно
с диэлектриками, обладающими низкой диэлектрической проницаемостью ε
(low-k-диэлектрики) [24]. Основные материалы с низкой диэлектрической прони-
цаемостью, нашедшие применение в технологии медной м еталлизации, показаны
в табл. 1.5.
36 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Таблица 1.5. Диэлектрики с низкой диэлектрической проницаемостью [25]
Материал Диэлектрическая
проницаемость (ε) Метод нанесения
SiО2 3,9–4,5
Плазменно
стимулированное
химическое осаждение
из газовой фазы (PECV D)
Фторосиликатные стекла (FSG) 3,2–4,0
Органосиликатные стекла (SiOCH или SiCOH) 2,7–3,3
Аморфные фторуглероды (a-C:F) 2,4
Пар илен-N 2,7
Химическое осаждение
из газовой фазы (CVD)
Парилен-F 2,4–2,5
Полиимиды 3,1–3,4
Нанесение
центрифугированием
из жидких композиций
Фторированные полиимиды 2,5–2,9
Бензоциклобутан (BCB) 2,7
Гидроген-силсесквиоксаны
Hydrogen-Silsesquioxane (HSQ) 2,9–32
Метил-силсесквиоксаны
Methyl-Silsesquioxane (MSQ) 2,6–28
Ароматические углеводороды (SiLK) 2,6–2,7
Тефлон AF 2,1
Пористый кремний (аэрогель или ксерогель) 1,1–2,4
Как уже было отмечено выше, немаловажным фактором является высокая
теплопроводность меди (рис. 1.19).
Несмотря на то что энергопотребление отдельных базовых элементов совре-
менных микросхем крайне незначительно, количество этих элементов на кристалле
очень велико и суммарная потребляемая мощность схемы может достигать 20 Вт и
более. Соответственно, такая высокая мощность должна быть эффективно рассеяна
во избежание локальных перегревов в структуре микросхемы. Повышение темпера-
туры приводит к увеличению численных значений токов утечки полупроводнико-
вых переходов и активизирует процессы электромиграции в узких металлических
шинах, ухудшая производительность и надежность микросхем с субмикронными
размерами элементов.
Температура, °К
Теплопроводность, Вт/м⋅К
Al
Cu
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0 200 400 600 800 1000
Рис. 1.19. Теплопроводность проводников Cu и сплава Al (0,5% Cu) [26]
1.4. Особенности технологии нанесения металлизации на основе меди 37
Высокая стойкость к электро- и стресс-миграции является еще одним важней-
шим достоинством металлизации на основе меди. На рис. 1.20 показана сравни-
тельная наработка на отказ проводящих шин медной и алюминиевой металлизации
в одинаковых условиях. Очевидно, преимущество меди связано с более высокой
энергией активации диффузии как в кристаллической решетке, так и п о границам
зерен в сравнении с алюминием.
Рассматривая электрическое сопротивление и стойкость шин металлизации к
миграционным явлениям, необходимо учитывать, что при уменьшении размеров
элементов до нескольких десятков нанометров они уже становятся сопоставимы с
размерами зерен металлических шин. На рис. 1.21 показано рассеяние электронов
на границах зерен и на границах металл – диэлектрик, приводящее к увеличению
сопротивления проводника [27].
Как видно из табл. 1.4, энергия активации диффузии по границам зерен в не-
сколько раз меньше по сравнению с энергией активации диффузии в кристалли-
ческой решетке, что определяет преимущественную диффузию по границам зерен.
Соответственно, при малых размерах зерен и большой протяженности межзеренных
границ миграционные явления облегчаются. Эти обстоятельства ставят на первый
план технологическую проблему укрупнения размеров зерен металлических шин.
Эта проблема решается выбором технологических методов и режимов нанесения
металлических пленок, а также их термических обработок.
При несомненных достоинствах меди как материала межсоединений ряд специ-
фических свойств меди требуют существенного изменения подходов к формиро-
ванию системы металлизации на ее основе.
Ведь медь является быстро диффундирующей примесью и образует глубокие
энергетические уровни в запрещенной зоне кремния [28]. Кроме того, мед ь активно
диффундирует в слои диэлектрика, формируя подвижный заряд, как показано на
рис. 1.22.
100
10
1
0,1
1,01
1,001
t50 (год)
Cu Al
Рис. 1.20. Время наработки на отказ (t50) медной и алюминиевой металлизации [26]
38 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Атомы меди ионизируются под действием электростатического потенциа-
ла, проникают в диэлектрик и затем накапливаются в диэлектрике в виде про-
странственного заряда. На скорость диффузии меди в диэлектрик влияют уровни
электростатического потенциала и температурных градиентов в структуре метал-
лизации. Скорость диффузии меди в слоях Si3N4 и SiXOYNZ в несколько раз меньше
по сравнению с SiO2. По этой причине использование нитридов и оксинитридов
кремния в качестве диэлектриков является предпочтительным для металлизации
на основе меди [30].
Высокая подвижность меди в диэлектриках и кремнии может быть причиной вы-
соких токов утечки и малых пробивных напряжений диэлектриков и p-n-переходов.
Для устранения этих явлений необходимо использовать барьерные слои, изолиру-
ющие медные проводники от слоев диэлектрика и кремниевой подложки.
Из-за высокой опасности примесей меди для активной структуры микросхем
производственные участки, выполняющие операции формирования активной
SiO2
SiO2
Si3N4
Si3N4
e–
e– Cu
Ta
Рис. 1.21. Рассеяние электронов на границах зерен [27]
Cлой
диэлектрика n&Si&подложка
Cu&
Наведенный электрод
потенциал
e– + Cu+
Cu0
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Cu+
Рис. 1.22. Принцип формирования подвижного заряда в диэлектрике [29]
1.4. Особенности технологии нанесения металлизации на основе меди 39
структуры и медной металлизации, пространственно отделяются друг от друга.
Кроме того, разделяются системы водоснабжения, климата и т.д.
Технологическими проблемами формирования медных проводников также яв-
ляются:
– трудности реализации процесса сухого травления при формировании микро-
рисунка тонких медных линий из-за низкой летучести хлоридов меди;
– плохая адгезия меди к диэлектрикам;
– склонность к окислению и коррозии.
Поэтому технологический процесс создания медной металлизации существенно
отличается от процессов металлизации на основе алюминия, где проводящие до-
рожки формируются травлением металлической пленки через маску фоторезиста.
На рис. 1.23а представлен детализированный маршрут технологического
процесса формирования медной металлизации методом гравировки (Damascene
Process), который содержит следующие этапы:
(1) в слое диэлектрика методом фотолитографии создаются контактные окна
к кремнию или слою силицида металла;
(2) на поверхность подложки с контактными окнами методами напыления
или химического осаждения из газовой фазы наносятся адгезионные и
барьерные слои, а также тонкий затравочный слой меди, после чего электро-
химическим способом осаждается слой меди толщиной, достаточной для
полного заполнения контактов;
(3) избыток меди, а также барьерные и адгезионные слои удаляются с поверх-
ности химико-механической полировкой;
(4) на поверхность подложки с контактами наносятся слои Si3N4 и SiO2;
(5) в слоях Si3N4 и SiO2 формируются канавки, соответствующие необходимому
рисунку медных проводников, при этом слой Si3N4 служит стоп-слоем для
травления канавок в SiO2.
Следует отметить, что этапы формирования омических контактов к кремнию
могут быть заменены традиционной технологией формирования вольфрамовых
столбиков, применяемой для алюминиевой металлизации
Далее аналогично п. (2) наносятся адгезионный, барьерный и затравочный слои
меди, проводится электрохимическое осаждение меди и химико-механическая
полировка.
В результате такой последовательности операций медные проводники со всех
сторон изолируются барьерными слоями, что позволяет исключить токи утечек
транзисторных структурах интегральных микросхем.
По аналогичному принципу создаются все последующие уровни металлизации.
Метод двойной гравировки позволяет сократить количество операций форми-
рования медной металлизации (рис. 1.23б).
Здесь на первом этапе наносится последовательность диэлектриков, например
SiO2 – Si3N4 – SiO2, после чего в верхнем слое SiO2 создаются канавки, соответ-
ствующие конфигурации будущих медных межсоединений, а в нижнем слое SiO2
создаются контактные окна к активной структуре или нижнему слою металлиза-
ции. Также, как и в Damascene-процессе, Si3N4 служит стоп-слоем для травления
канавок в SiO2.
40 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
На эту сложную структуру наносятся адгезионные и барьерные слои, а также
тонкий затравочный слой меди, после чего электрохимическим способом осажда-
ется слой меди. Таким образом, одновременно формируются и контакты к ниже-
лежащим слоям, и проводниковые шины.
Как говорилось выше, для снижения паразитных емкостей в структуре метал-
лизации слои SiO2 заменяются на слои диэлектриков с низкой диэлектрической
прони цаемостью (low-k-диэлектриками). В этом случае слои low-k-диэлектриков
разделяются соответствующими стоп-слоями, обеспечивающими высокую селектив-
ность травления low-k-диэлектрика (рис. 1.24), например SiCOH–SiC–SiCOH [31].
Эти комбинации могут быть достаточно многообразны для различных типов диэ-
лектриков.
SiO2
SiO2
SiO2
Si3N4
Si3N4
SiO2
SiO2
SiO2
Cu
Cu
Cu
1) Формирование
контактных окон
в диэлектрике
2) Нанесение
барьерного слоя
и Cu
2) Нанесение
барьерного слоя
и Cu
3) Химико&
механическая
полировка Cu
3) Химико&
механическая
полировка Cu
5) Формирование
канавок в слое
диэлектрика
+
нанесение
барьерного слоя
и Cu
1) Формирование
канавок
и контактных окон
в слоях
4) Нанесение диэлектрика
межуровнего
диэлектрика
SiO2 и Si3N4
6) Химико&
механическая
полировка Cu
Проводники
Контакты Контакты
Проводники
а) б)
Рис. 1.23. Маршрут формирования медной металлизации методом гравровки (Damascene
Process) (а) и двойной гравировки (Dual Damascene Process) (б) [29]
1.4. Особенности технологии нанесения металлизации на основе меди 41
Следует особо подчеркнуть, что исключительно важную роль в этой технологии
играют барьерные слои, к которым предъявляются следующие требования:
– хорошие барьерные свойства при очень малых толщинах;
– низкое сопротивление;
– химическая стабильность;
– термостабильность.
Надо сказать, что переходные металлы (Pd, Cr, Ti, Co, Ni, Pt) обладают плохими
барьерными свойствами вследствие взаимодействия с медью при температурах
менее 450 °C [29].
Taк, Mo, W обладают более высокой термостабильностью, однако деградация
барьера возможна в результате диффузии меди по границам зерен поликристалли-
ческих пленок этих металлов [32, 33].
Сплавы Ta, Mo, W, осажденные как аморфные пленки, как показывают много-
численные исследования, могут быть стабильны до температуры 500 °C [29, 32, 33].
Хотя нитриды Ti, Ta и W обладают хорошими барьерными свойствами до тем-
ператур 500–600 °C [34–36], вместе с тем традиционные барьеры для алюминиевой
металлизации TiN приводят к образованию раковин в медных проводниках [36]
Аморфные соединения Ta, Ti, Mo, W с кремнием также могут формировать
барьеры, устойчивые до температуры 700 °C [37, 38].
Наилучшими барьерными свойствами обладают аморфные тройные сплавы,
такие как Ta36Si14N50, Ti34Si23N43, в результате высокой температуры кристаллиза-
ции [39–41].
В технологии микросхем с субмикронными размерами элементов барьерные
слои наносятся в контактные окна и канавки с очень большим отношением глу-
бины к ширине, доходящим до 3–4 (рис. 1.25). Это предъявляет высокие требо-
вания к конформности покрытия. Толщина барьерного слоя на боковых стенках
должна быть достаточной для предотвращения диффузии меди в структуру, но не
слишком большой, чтобы не затруднять последующее осаждение меди. Толщина и
сопротивление барьерного слоя «на дне» должны обеспечивать низкое омическое
сопротивление контактов. Кроме того, должно обеспечиваться низкое переходное
контактное сопротивление к другому контактирующего материалу (кремнию, ме-
ди и т.д).
Для выполнения требований конформности барьерных слоев необходимо ис-
пользовать специальные методы их нанесения: ионизированного магнетронного
напыления, химического осаждения из газовой фазы, атомно-слоевого нанесе-
ния и т.д.
Проводники
Контакты
Стоп&слой
Барьерный слой
Low&k
Low&k
Рис. 1.24. Эскиз структуры медной металлизации со слоями low-k-диэлектриков
42 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Поскольку барьерный слой наносится также и на горизонтальную поверхность
диэлектрика, он должен хорошо поддаваться химико-механической полировке со-
вместно со слоем меди, причем скорость его полировки не должна быть существенно
меньше скорости полировки диэлектрика, чтобы не приводить к избыточному или
неравномерному утонению диэлектрика.
Барьерный слой также должен обладать хорошей адгезией ко всем контакти-
рующим материалам: диэлектрику, кремнию, меди. В ряде случаев это выполнить
затруднительно, поэтому используются комбинации барьерного и адгезионного
слоя, например барьерного слоя TaN с адгезионным подслоем Ta.
От технологии нанесения ал юминиевой металлизации наиболее радикально
отличается процесс нанесения меди, где используется метод электрохимического
осаждения. Типичная схема установки показана на рис. 1.26 [42].
– Быть пригодным
для химико&механической
полировки
– Обеспечить диффузионный
барьер между медью и диэлектриком
– Оставить пространство
для заполнения медью
– Обладать адгезией к диэлектрику
и меди
– Не вызывать коррозию
– Обеспечить низкое в контакте с медью
контактное и переходное
сопротивление
к кремнию, меди
– Обеспечить диффузионный
барьер между медью
и кремнием
Рис. 1.25. Основные требования к барьерным слоям на участках рельефа [29]
e–
Подложка
Катод
Анод
Циркуляция раствора
Cu2+ + SO4
2–
H2SO4
Диффузор
Рис. 1.26. Схема установки электрохимического осаждения меди
Здесь под действием электрического поля между катодом и анодом проис-
ходит диссоциация раствора CuSO4 → Cu2+ + SO4
2–, а также реакция окисления
Cu → Cu2+ + 2e– на аноде и реакция восстановления Cu2+ + 2e– → Cu на катоде.
Таким образом, на полупроводниковой пластине, закрепленной на катоде,
осаждается слой меди.
1.4. Особенности технологии нанесения металлизации на основе меди 43
Как показали результаты многочисленных экспериментов, электрохимическое
осаждение меди непосредственно на барьерный слой не дает хороших результатов.
Для получения равномерных, однородных по структуре медных покрытий перед
электрохимическим осаждением необходимо наносить тонкий затравочный слой
меди. Методы нанесения затравочного слоя аналогичны барьерным слоям: иони-
зированное магнетронное напыление, химическое осаждение из газ овой фазы или
атомно-слоевое нанесение.
Затравочный слой создает равномерные очаги роста и коалесценции зерен в
процессе электрохимического осаждения меди, что позволяет формировать медные
покрытия с однородной преимущественной ориентацией зерен в плоскости (111) и
значительно большим размером зерен по сравнению с другими методами нанесе-
ния. При этом достигается превосходное заполнение глубокого рельефа (рис. 1.27),
позволяющее избегать образования полостей в объеме рельефа, характерного для
методов физического осаждения.
Полость
а) б) в)
Рис. 1.27. Заполнение рельефа методом физического (а) и электрохимического
осаждения (б). Реальная структура с размером контактов 0,18 мкм (в) [42]
И еще один важный для практики момент: в слоях меди, осажденных электро-
химическим методом, наблюдается рекристаллизация при комнатной температу-
ре (рис. 1.28), сопровождающаяся укрупнением среднего размера зерен. Процесс
рекристаллизации происходит достаточно быстро, в итоге уже после 10,8 часов
выдержки все исходные зерна рекристаллизуются. Низкотемпературная терми-
ческая обработка приводит к дальнейшему укрупнению и усреднению размеров
зерен.
Протекание процесса рекристаллизации электрохимически осажденной меди
находится в сильной зависимости от затравочного слоя. Выше уже упоминалось, что
электрохимически осажденные слои меди обладают достаточно однородной тексту-
рированной структурой с преимущественной ориентацией зерен в плоскости (111).
44 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Изначально после осаждения слой меди имеет практически ту же текстуру, что и
затравочный слой. Текстурированность слоев меди после рекристаллизации при
комнатной температуре увеличивается, если затравочный слой имеет нетекстури-
рованную разориентированную мелкокристаллическую структуру, и уменьшается,
если затравочный слой меди текстурирован с преимущественной ориентацией (111).
В процессе рекристаллизации при комнатной температуре происходит усадочная
деформация и растягивающие напряжения в слое меди увеличиваются. Скорость
рекристаллизации увеличивается в случае осаждения меди на нетекстурирован-
ный затравочный слой, таким образом, уменьшение энергии межзеренных границ
является главной движущей силой рекристаллизации и роста размеров зерен [44].
Такая особенность формирования электрохимически осажденных слоев меди
позволяет создавать межсоединения с почти монокристаллической структурой,
минимальным количеством межзеренных границ и, соответственно, минимальным
электрическим сопротивлением и высокой стойкостью к электромиграции.
Описанная выше технология медной металлизации позволяет формировать
до 12 уровней металлизации. Ограничениями для увеличения количества уровней
являются дефектность слоя, уровень остаточных напряжений и теплообмен в
структуре, паразитные сопротивления и индуктивности в схеме.
1.5. Особенности технологического маршрута
формирования 3D-межсоединений
После достижения линейных размеров элементов микросхем уровня десятков на-
нометров дальнейшее уменьшение размеров становится крайне проблематичным.
Здесь главная проблема состоит в уменьшении величин рабочих напряжений в
схеме. Дальнейшее уменьшение порогового напряжения МОП-транзисторов не-
избежно влечет за собой увеличение подпороговых токов утечки, а без уменьшения
пороговых напряжений мощность и производительность приборов входят в про-
тиворечие. При этих обстоятельствах, чтобы обеспечить высокую эффективность
микросхем без увеличения их мощности, есть два различных подхода. Один связан с
пересмотром системной архитектуры с точки зрения снижения уровня потребления
Отжиг 300 °C
Укрупнение
малых зерен
Рекристаллизовано
Время после осаждения
5,4 часа 7,6 часа 10,8 часа
3% 44% 100%
Рис. 1.28. Процесс рекристаллизации электрохимически осажденной меди [43]
1.5. Особенности технологического маршрута формирования 3D-межсоединений 45
энергии, другой – со структурой микросхем [45]. Второй подход главным образом
реализуется трехмерной (3D) интеграцией полупроводниковых кристаллов.
Исторически трехмерная интеграция начала реализовываться в сборочном про-
изводстве, при котором несколько полупроводниковых кристаллов «высаживались»
друг на друга в корпусе прибора или на печатной плате (chip – scale package (CS P)).
Проволочные межсоединения электрически соединяли контактные площадки
корпуса или печатной платы и периферийные контактные площадки полупровод-
никовых кристаллов (рис. 1.29). При этом проволочные межсоединения имели
толщину в десятки микрометров и длину до нескольких миллиметров. Такая тех-
нология обладала рядом существенных недостатков:
– большие потери мощности в длинных межсоединениях, высокие уровни
паразитной индуктивности и задержек распространения п олезного сигнала;
– малая плотность упаковки кристаллов и большая площадь, занимаемая про-
волочными межсоединениями;
– плохой теплообмен (охлаждение) между кристаллами и окружающей сре-
дой [49].
Рис. 1.29. 3D-сборка компан ий ChipPac Inc. [46] и Amkor [47, 48]
Продолжением концепции трехмерной интеграции являлась кратко рассмо-
тренная нами выше технология трехмерных соединений на основе сквозных кон-
тактов, в англоязычной литературе называемая Through-Silicon Via (TSV) [50]. Такая
технология основана на формировании отверстий, проходящих через всю толщину
кремниевого кристалла, заполнении отверстий токопроводящим материалом,
формировании шариковых выводов на концах отверстий (рис. 1.30).
В ерхний шариковый
вывод
МОП&структура
Кремний
Сквозной контакт
Нижний шариковый
вывод
Рис. 1.30. Структура сквозных контактов в технологии TSV
46 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Кристаллы со сквозными контактами могут соединяться между собой в пакет
разнообразным образом: последовательно ( рис. 1.31а) или сторонами с активной
структурой друг к другу (рис. 1.31б).
В основе технологии сквозных контактов находятся процессы глубокого
травления кремния. Различными исследователями сообщалось о возможности
использования для этих целей лазерных методов и жидкостного химического
травления [52], однако эти методы обладают существенными недостатками в
виде термических нагрузок и высокой анизотропии соответственно. Наиболее
перспективным является метод глубокого реактивного ионного травления, кото-
рый может реализовываться в диод ном реакторе реактивного ионного травления
или в реакторе с индуктивно-связанной плазмой, схемы которых показаны на
рис. 1.32.
Кремний
Кремний
Кремний
Кремний
а) б)
Рис. 1.31. Схема соединения кристаллов со сквозными контактами
ВЧ
Смещение
НЧ
Катушка
индуктивности
Согласующее
устройство
ICP
ВЧ
Плазма
Вакуумная камера
Подложкодержатель
с подложкой
Ввод охлаждения
подложкодержателя
а) б)
Рис. 1.32. Схемы реакторов реактивного ионного травления диодного типа (а) и с
индуктивно-связанной плазмой (б)
Отличительной особенностью реактора с индуктивно-связанной плазмой
являются два контура питания: высокочастотный контур, подаваемый на катушку
индуктивности, формирующий плазму высокой плотности, и низкочастотный
контур, создающий смещение на подложке.
В этом случае высокая плотность плазмы обеспечивает высокий уровень диссо-
циации газов и высокую скорость травления, а относительно низкая энергия ионов,
поступающих на подложку, позволяет уменьшить деструкцию маски и уровень
радиационных повреждений подложки.
1.5. Особенности технологического маршрута формирования 3D-межсоединений 47
Таблица 1.6. Сравнительные характеристики процессов реактивного ионного травления
Реактор диодного типа Реактор с индуктивно-связанной плазмой
Плотность плазмы от 108 до 1010 ион/см3
в зависимости от мощности и частоты разряда Плотность плазмы до 1012 ион/см3
Энергия ионов от 500 до 1000 В в зависимости
от мощнос ти разряда
Типичная энергия ионов около 100 В. Независимое
управление энергией ионов
Анизатропию процесса можно получать несколькими способами. Одной из
возможностей является одновременное травление кремния в плазме SF6 и пасси-
вация боковых поверхностей O2, Cl2, HBr. Известен так называемый Bosch-процесс
травления, суть которого заключается в чередовании коротких циклов изотропного
травления кремния в плазме SF6 и осаждения полимера из углеродсодержащ ей
плазмы C4F8 (рис. 1.33) [51].
Рис. 1.34. Вид отверстий шириной 10 мкм и
глубиной 160 мкм, сформированных в кремнии
c использованием технологического процесса
фирмы Alcatel [51]
F +
C4F8
Тонкий слой полимера
Волнообразные
неровности
SF6
SF6
&CF2&
SiF4
Si
Si
Рис. 1.33. Схема процесса травления Bosch
48 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
На рис. 1.34 показаны экспериментальные результаты процесса глубокого ре-
активного ионного травления фирмы Alcatel, позволяющего формировать окна с
аспектным соотн ошением более 10 при высокой скорости травления [51].
Из всех известных методов заполнения отверстий токопроводящим материалом
можно выделить основные:
– электрохимическое осаждение меди [53, 54];
– газофазное осаждение вольфрама [52, 53];
– газофазное осаждение легированного поликристаллического кремния [52, 53];
– заполнение медной пастой и спекание [45].
За исключением операции заполнения контактов медной пастой, эти процессы
аналогичны тем, которые применяются в системах многоуровневой металлизации.
Более подробно процесс формирования сквозных медных соединений рас-
смотрен IMEC [55].
Процесс травления глубоких отверстий в кремнии должен обеспечивать вер-
тикальный профиль отверстий по всей глубине и по возможности малую шерохо-
ватость стенок отверстий для обеспечения их равномерного заполнения последу-
ющими технологическими слоями (рис. 1.35а).
Окисление кремния также обеспечивает электрическую изоляцию токопро-
водящего материала сквозного контакта от кремниевой подложки и определяет
паразитные емкости в структуре. Основным требованием к этому процессу явля-
ется равномерность толщины и диэлектрических характеристик окисла по всей
глубине отверстия.
После окисления проводится напыление барьерного слоя Ta, задачей которо-
го является предотвращение диффузии Cu в кремний (рис. 1.35б). Эта проблема
является весьма важной для обеспечения надежности микросхем, ее решение
осложняется трудностями формирования однородных по структуре и толщине
металлических пленок в окнах с большим аспектным соотношением и требует
использования специальных методов нанесения, например процессов ионизиро-
ванного магнетронного напыления, химического осаждения из газовой фазы или
атомно-слоевого нанесения. В качестве барьерного слоя могут использоваться не
только Ta, но и другие материалы.
Поверх барьерного слоя наносится затравочный слой меди (рис. 1.35в) для ее
последующего электрохимического осаждения (рис. 1.35г). На этапе электрохими-
ческого осаждения меди основным требованием является отсутствие разного рода
полостей и неоднородностей в объеме канала глубокого контакта. Немаловажной
является задача снижения уровня остаточных напряжений в структуре контакта,
который оптимизируется режимами формирования затравочного слоя и электро-
химического осаждения меди.
Также важным этапом формирования сквозных контактов является рекристал-
лизационный отжиг (рис. 1.35д), при котором происходит релаксация остаточных
напряжений в структуре контактов, а также улучшается пластичность меди, не-
обходимая для последующего процесса соединения кристаллов.
Химико-механическая полировка (рис. 1.35е) удаляет с поверхности слои меди
и барьерного металла, завершая процесс формирования скво зных контактов.
1.5. Особенности технологического маршрута формирования 3D-межсоединений 49
В практическом приложении используются две основные концепции форми-
рования сквозных контактов: до и после создания МОП-структуры (рис. 1.36).
Процесс «после МОП-структуры» достаточно сложен, поскольку здесь трав-
лению подвергаются разнородные материалы, а сквозные контакты занимают до-
полнительную площадь кристалла. Кроме того, для заполнения контактов можно
использовать только низкотемпературные процессы, такие как осаждение меди
или вольфрама, чтобы не вносить механические и структурные нарушения в уже
сформированные элементы микросхем.
Травление отверстий
5,41 мкм
5,27 мкм
50,86 мкм
4,51 мкм
90,6°
Напыление
барьерного
Та
Liner
PMD
STI
Si
Электрохимическое
осаждение Cu
Напыление затравочного
подслоя Cu
Отжиг
Химико&механическая
полировка
б)
в) г)
д)
е)
а)
Рис. 1.35. Последовательность формирования сквозных контактов [55]
а)
б)
Рис. 1.36. Этапы формирования сквозных контактов до (а) и после (б) МОП-структуры
50 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Процесс «до МОП-структуры» позволяет более компактно располагать сквоз-
ные контакты, не теряя эффективной площади кристалла. Для этого токопро-
водящий материал, заполняющий контакты, должен выдерживать высокие тем-
пературы формирования активной структуры (например поликристаллический
кремний).
Из литературных данных известны и промежуточные варианты, в которых
сквозные контакты формируются, например, после создания активной структу-
ры, но перед созданием межсоединений или после первого уровня металлизации.
Это позволяет комбинировать разные методы создания и заполнения отверстий,
адаптируя их к требуемому технологическому процессу.
На финишном этапе изготовления микросхем обратная сторона пластин под-
вергается утонению химико-механической полировкой таким образом, чтобы
вскрылась нижняя часть контактных отверстий.
Надо отметить тот факт, что при масштабировании сквозных контактов при-
ходится решать ряд противоречивых задач.
Итак, диаметр сквозных контактов необходимо:
– уменьшать для снижения паразитной емкости медный проводник – подложка
и снижения остаточных напряжений в структуре;
– увеличивать для конформного заполнения барьерными слоями и затравоч-
ным слоем меди, снижения паразитного сопротивления.
В это же время глубину сквозных контактов и, соответственно, остаточную
толщину кремниевой пластины необходимо:
– уменьшать для снижения паразитной емкости и сопротивления, конформ-
ного заполнения барьерными слоями и затравочным слоем меди, снижения
времени процессов травления и осаждения;
– увеличивать для снижения температурных неоднородностей и термических
напряжений в структуре, а также чтобы облегчить обращение с пластинами
при выполнении технологического процесса.
Впервые разработанный институтом IMEC еще в далеком 2012 году и показан-
ный на рис. 1.37 процесс позволял формировать сквозные контакты диаметром
около 5 мкм и глубиной 50 мкм.
а) б) в)
Рис. 1.37. Основные варианты технологии 3D-соединений кристаллов: кристалл –
кристалл (а), кристалл – пластина (б), пластина – пластина (в)
На практике возможны три варианта технологии соединения кристаллов
(рис. 1.37): «кристалл к кристаллу», «кристалл к пластине» и «пластина к пластине».
Вариант соединения «пластина к пластине» можно использовать только при очень
высоком выходе годных по пластине, в противном случае эффективность произ-
1.5. Особенности технологического маршрута формирования 3D-межсоединений 51
водства становится крайне низкой. Наиболее перспективны ми с экономической
точки зрения являются технологии присоединенения «кристалл к кристаллу» и
«кристалл к пластине» (рис. 1.37а, б).
Таблица 1.7. Сравнительные технико-экономические показатели основных вариантов технологии
присоединения кристаллов
Кристалл – кристалл Кристалл – пластина Пластина – пластина
Выход годных Высокий Высокий Низкий
Эластично сть Хорошая Средняя Плохая
Производительность Низкая Средняя Высокая
Большие технологические проблемы для инженеров-технологов создает очень
малая конечная толщина кристаллов после химико-механической полировки и
вскрытия 3D-межсоединений – она достигает 50 мкм. Кремниевые структуры
такой толщины требуют исключительно бережного обращения. Для сохранения
механической целостности тонких кремниевых пластин и кристаллов исполь-
зуются специальные временные технологические носители, в качестве которых
могут выступать стеклянные или кремниевые пластины, полимерные пленки
(р ис. 1.38) [54].
Носитель
Носитель
Носитель
Носитель
а) б) в) г)
Рис. 1.38. Использование технологических носителей для утоненных пластин
В общем случае последовательность таких операций выглядит следующим
образом:
– пластина с глубокими сквозными отверстиями, заполненными токопро-
водящим материалом, соединяется с носителем, например клеевым слоем
(рис. 1.38а);
– пластина утоняется до толщины, достаточной, чтобы вскрылась нижняя часть
глубоких контактов (рис. 1.38б);
– проводится совмещение и соединение двух кристаллов или кристалла к
пластине в зависимости от вариантов технологии, показанных на рис. 1.38в;
– тонкие кристаллы отделяются от носителя.
Возможны различные вариации этого процесса: например, утоненные пласти-
ны на носителях могут разделяться на кристаллы, после чего «тонкие» кристаллы
снимаются с носителя и соединяются с другим кристаллом или монтируются на
другую пластину с кристаллами.
52 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Способы последующего снятия тонких пластин или кристаллов с носителя
также могут быть достаточно многообразны [54, 55]:
– лазерным методом;
– с помощью жидких растворителей;
– нагревом;
– ультрафиолетовым облучением;
– механическим сдвигом или отслоением.
Надо сказать, что до сих пор эти вопросы остаются дискуссионными как в кру-
гах изготовителей оборудования, так и технологов, в последнее время все большее
предпочтение получает метод гибких полимерных носителей с механическим снятием
кристаллов при комнатной температуре [55].
Однако, несмотря на отмеченные сложности, 3D-соединения предоставляют
огромные возможности для развития новых поколений электронных приборов,
поскольку они позволяют существенно снизить потери мощности и повысить
быстродействие устройств. Это можно проиллюстрировать простым примером.
Для электрического соединения точек 1 и 2 на рис. 1.39б при использовании
3D-соединений требуется проводник значительно короче, чем в однокристальном
исполнении на рис. 1.39а. Таким образом, значи тельно уменьшаются паразитные
сопротивления и индуктивности в структуре прибора.
а)
1
2
б)
1
2
Рис. 1.39. Сравнение примеров электрических соединений в однокристальном (а) и
3D-исполнении (б)
Наибольшие преимущества касаются расширения функциональности
приборов. С использованием 3D-соединений можно объединять кристаллы
различного функционального назначения, изготовленные по совершенно раз-
личным технологиям на разнородных подложках, например схемы управления,
изготовленные по традиционной кремниевой технологии, с твердотельными
лазерами или СВЧ-транзисторами на GaN. Таким способом можно изготавливать
блоки памяти (СОЗУ, ДОЗУ, СеОЗУ) с исключительно высокой плотностью упа-
ковки.
В случае 3D-сборки возможное количество 3D-межсоединений многократно
увеличивается (рис. 1.40). Создаются условия для низкоуровневой конструктивной
интеграции кристаллов различного назначения, упрощаются схемотехнические
решения интерфейсных блоков связи устройств, а в некоторых случаях они могут
быть полностью исключены за счет создания внутрисхемных соединений между раз-
личными кристаллами. Таким образом, например, скорость обмена информ ацией
процессор – схема памяти может быть увеличена в 10 и более раз по сравнению с
традиционной планарной технологией [52].
1.5. Особенности технологического маршрута формирования 3D-межсоединений 53
Электронные приборы с 3D-соединениями отличаются высокой компактно-
стью. На рис. 1.41 показано за поминающее устройство емкостью 16 Гб фирмы
Samsung, собранное из восьми кристаллов емкостью по 2 Гб и толщиной 50 мкм.
Общая высота пакета составляет 0,56 мм.
Несомненно важным является и экономический аспект 3D-интеграции. Как
известно, процент выхода годных кристаллов на пластине Y описывается моделью
Мерфи:
(1.9)
где А – площадь кристалла, см2; D – дефектность, см–2.
Исходя из этой модели очевидно, что процент выхода существенно уменьшается
при увеличении площади кристалла. Таким образом, технологические потери при
изготовлении, например, двух кристаллов определенного размера значительно ниже,
чем одного кристалла вдвое большего размера. Причем эта выгода тем больше, чем
Рис. 1.40. Внутрисхемные соединения 3D-блоков памяти [52]
Рис. 1.41. Запоминающее устройство емкостью 16 Гб фирмы Samsung [57]
54 Глава 1. Физические основы работы полевых транзисторов
сложнее технология изготовления кристаллов, больше количество технологических
слоев (фотолитографий) и, соответственно, больше накопленная дефектность.
Поэтому по мере усложнения технологии изготовления полупроводниковых
кристаллов экономический эффект применения 3D-интеграции неуклонно возрас-
тает.
В данной главе не рассматривались такие проблемы, как технологические
процессы соединения кристаллов, температурные распределения в пакетах кри-
сталлов и возникающие термические напряжения, поскольку эти вопросы требуют
специального изучения и сегодня привлекают самое пристальное внимание как
исследовательских институтов, так и промышленных предприятий.
Литература к главе 1
1. Металлизация ультрабольших интегральных схем / Д.Г. Громов, А.И. Мочалов,
А.Д. Сулимин, В.И. Шевяков. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 277 с.
2. Murarka S.P. Multilevel interconnections for ULSI era // Mater. Sci. Eng. – 1997. –
V. R(19). – P. 87–151.
3. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. Справочник: В 2 т. – М.:
Металлургиздат, 1962. – 608 с.
4. Handbook of multilevel metallization for integrated circuits: materials, technology, and
applications / edited by Syd R. Wilson, Clarence J. Tracy, John L. Freeman. – New Jersey:
Noyes Publications, 1993. – 887 p.
5. Rosenberg R., Sullivan M.J., Howard J.K. Effect of Thin Film Interactions on Silicon
Device Technology // Thin Films-Interdiffusionand Reaction / edited by J.M. Poote,
K.N. Tuand, J.W. Mayer. – NewYork: Wiley-Interscience, 1978. – P. 13.
6. Рубцов А.Е. Структурные дефекты компонентов БИС // Обзоры по ЭТ. – 1982. –
Сер. 6. – Материалы. – № 4. – C. 897.
7. Carriere В., Deville J.P. The early stages of oxigen adsorption on silicon surfaces as seen
by electron spectroscopy // Sur. Sci. – 1979. – V.80. – P. 278–286.
8. Beechinor J.Т., Kelly P.V., O’Connor G.М., Crean G.M. // in Proceedings of the 2nd
Int. Sym. on Ultra-clean Processing of Silicon Surfaces (UCPSS’94). – Brugge, Belgium:
1994. – P. 69.
9. Баранов В.В., Колос В.В., Холенков В.Ф. Тонкие пленки сплава Al–Si с блочной
структурой // Труды IV Международной НПК «Современные информационные
и электронные технологии». – Одесса, Украина: 2003. – C. 286.
10. Баранов В.В., Колос В.В., Кошкаров Г.В., Холенков В.Ф. Условия образования
объемных неоднородностей в пленках сплава Al–Si // Известия Белорусской ин-
женерной академии М1(15)/4. – 2003. – C. 86–88.
11. Баранов В.В., Колос В.В., Холенков В.Ф. Структурные особенности пленок, нане-
сенных с высокой скоростью // Новые технологии изготовления многокристальных
модулей. Материалы докладов Международной научно-технической конференции.
27 сентября – 1 октября 2004 г. – Минск, 2004. – C. 61–63.
12. Архаров В.И. и др. К вопросу о состоянии примесного атома в межкристаллитной
переходной зоне поликристаллического твердого раствора // ФММ. – 1967. –
Т. 26. – Вып. 2. – C. 289–292.
13. Saraswat K.C. Metal/Semiconductor Ohmic Contacts // Department of Electrical
Engineering. Stanford University. Stanford, 2002. – 22 p.
Литература к главе 1 55
14. Мовчан Б.А., Демчишин А.В. Получение покрытий при вакуумной конденсации
металлов и сплавов // Физика металлов и металловедение. – 1969. – Т. 28. –
С. 83–90.
15. Levenson L.L. Grain boundary diffusion activation energy derived from surface roughness
measurements of aluminum thin films // J.Appl Phys Lett. – 1989. – V. 55. – P. 2617–2619.
16. Srolovitz D.J., Mazor A., Bukiet B.G. Analytical and numerical modeling of columnar
evolution in thin films // Journal of Vacuum Science and Technology. – 1988. – V. A6. –
P. 2371–2380.
17. Dirks A.G., Leamy H.J. Columnar Microstructure in Vapor-Deposited Thin Films //
Thin Solid Films. – 1977. – 47. – Р. 219.
18. Handbook of Semiconductor Interconnection Technology / edited by Geraldine C.
Schwartz, Kris V. Srikrishnan. – Taylor & Francis Group, 2006. – 511 р.
19. Merchant Paul P. Electromigration: An Overview // HP Journal. – 1982. – V. 33. – № 8. –
Р. 28–30.
20. Hua Y., Basaran C., Hopkins D. Thermomigration in Pb–Sn solder joints under joule heating
during electric current stressing // Appl. Phys. Lett. – 2003. – V. 82. – P. 1045–1047.
21. Разработать и внедрить в серийное производство технологический процесс фор-
мирования многоуровневой алюминиевой металлизации ИМС с коэффициентом
запыления субмикронных контактных окон не менее 50%: отчет по заданию 1.1.2
ГНТП «Микроэлектроника» (заключительный) / Министерство промышленности
РБ. УП «Завод полупроводниковых приборов»; рук. темы В.В. Колос. – Минск,
2008. – 62 с. – № ГР 2006-2456.
22. Process BKM. Aluminum Planarization. #0250-22277 Rev. A – Santa Clara, CA, US:
Applied Materials, Inc., 1996. – 23 p.
23. Gambino J. at al. Integration of Copper with Low-k Dielectrics for 0.13 μm Technology //
9th IPFA Conference, 2002. – P. 111–117.
24. Pye T., Rose P. Low-Dielectric-Constant Materials for Back-End-of-Line Applications //
Semiconductor FABTECH; 8th edition, 1997. – P. 203–207.
25. Gotuaco M. at al. The Case for CVD Low-kTechnology // Semiconductor Fabtech, 15th Edition,
2001. – P. 179–183.
26. Gupta Tapan. Copper Interconnect Technology. – Springer, 2009. – 433 p.
27. Lee H.-B. at al. A Highly Reliable Cu Interconnect Technology for Memory Device //
IEEE International Interconnect Technology Conference. – 2007. – P. 64–66.
28. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В двух книгах. Кн. 1 / Пер. с англ. –
М.: Мир, 1984. – 456 с.
29. Saraswat K.C. Interconnections: Copper & Low K Dielectrics // Department of Electrical
Engineering. Stanford Un iversity [Electronic resource]. – 2005. – Mode of access:
http://www.stanford.edu /class/ee311/NOTES/Interconnect_Cu.pdf. – Date of access:
14.09.2010.
30. Loke A. at al. Copper Drift in Low-K Polymer Dielectrics for ULSI Metallization //
Symposium on VLSI Technolog y Digest of Technical Papers. – Honolulu, Hawaii: 1998. –
P. 26–27.
31. Gossett L. et al. Methods to improve EM life time // International Interconnect Technology
Conference 2006. – San Fransico, 2006. – P. 84.
32. Bai G. et al. Effectiveness and reliability of metal diffusion barriers for copper interconnects
// Mat. Res. Soc. Symp. Proc. – 1996. – V. 403. – Р. 501–506.
33. Braud F. et al. Ti-diffusion barrier in Cu-based metallization // Appl. Surf. Sci. – 1995. –
V. 91. – P. 251–256.