Конструкции и материалы элементов коммутации в МДП-БИС

Внешние выводы микросхем

Предназначены для соединения контактных площадок кристалла с вы­водами корпуса или контактными площадками коммутационных плат. Ис­пользуют гибкие проволочные или жесткие (шариковые, столбиковые или балочные) выводы, а также паучковые выводы.

К конструкции выводов предъявляется ряд требований:

- малое и стабильное электрическое сопротивление самого вывода и контактов;

- высокая механическая прочность и виброустойчивость;

- высокая антикоррозионная стойкость материалов, входящих в конст­рукцию вывода;

- совместимость по физическим (термический коэффициент линейного расширения, малые коэффициенты диффузии материалов друг в друге и др.) и химическим (отсутствие интерметаллических соединений, хорошая адгези­онная способность) свойствам материалов, входящих в конструкцию вывода;

- возможность применения групповых методов изготовления выводов и автоматизированной сборки микросхемы в корпус или на коммутационную

плату.

Гибкие выводы изготавливают из золотой или алюминиевой проволоки диаметром 25...5О мкм. Золотая проволока позволяет получать высококачественные электрические соединения методом термокомпрессии или пайки (рис. 21).

Для контактирования Al проволочек используют ультразвуковую пайку. Al проволочки характеризуются пониженной механической прочностью.

Рис. 21. Гибкие проволочные выводы микросхемы, присоединенные к кристаллу и внешним выводам корпуса методом термокомпрессии

Рис. 22. Конструкции жестких выводов микросхем:

а — шариковый вывод; б — столбиковый вывод; в — балочный вывод;

1 — монокристаллический кремний; 2 — пленка термически выращенного SiO₂; 3 — алюминиевый проводник; 4 — защитный слой боросиликатного стекла или пленка осажденного из газовой фазы SiO₂; 5 — контактный и адгезионный слои хрома (а), молибдена (б), титана или тантала (в); 6 — буферные слои меди (а), меди или серебра (б), молибдена (в); 7 — слой золота; 8 — слои припоя (а); 9 — медный шарик (а); золотой или медный столбик (б); 10 — слой никеля; 11 — слой золота

Жесткие выводы (шариковые, столбиковые, балочные) в большинстве случаев имеют многослойную конструкцию (рис. 22). Нижний слой обеспе­чивает качественный контакт с контактной площадкой или полупроводнико­вой областью и хорошую адгезию к изоляционному материалу на поверхности кристалла, верхний слой — высокую проводимость вывода, качественный контакт к контактным площадкам коммутационной платы и антикорро­зийную защиту, а промежуточные слои выполняют роль барьера, устраняю­щего нежелательные взаимодействия между материалами слоев, ведущие к образованию интерметаллических соединений. Для улучшения качества пайки применяют покрытие припоями.

При сборке кристаллы с шариковыми и столбиковыми выводами уста­навливают лицевой стороной (сторона с элементами, коммутационными проводниками и выводами) к контактным площадкам коммутационной платы (метод перевернутого кристалла). Учитывая, что высота шариковых и стол­биковых выводов 35...40 мкм, недостатком такого метода является отсутст­вие возможности проконтролировать качество сборки и затрудненный отвод тепла от кристалла. Этих недостатков лишены конструкции с балочными и паучковыми выводами (рис. 22, в, рис. 23).

Рис. 23. Конструкция кристалла микросхемы с паучковыми выводами, его монтаж и сборка на коммутационной плате:

1 — кристалл; 2— гибкая лента-носитель; 3— вывод; 4— контактная площадка коммутационной платы

Для изготовления балочных выводов в одном из вариантов используют трехслойную систему Ti—Pt—Au. Балочный вывод имеет толщину 10... 15 мкм, ширину около 100 мкм и длину за пределами кромки кристалла 150...200 мкм. Расстояние между балочными выводами на периферии кри­сталла 100...200 мкм. Балочные выводы позволяют осуществлять простой ви­зуальный контроль качества установки кристаллов лицевой стороной к кон­тактным площадкам коммутационной платы. При этом существенно упроща­ется технологический процесс группового монтажа кристаллов при сборке. Однако применение балочных выводов усложняется технологический про­цесс разделения полупроводниковых пластин на отдельные кристаллы.

В других вариантах конструкций балочных выводов используются сис­темы металлизации PtSi—Ti—Pt или Al—Ti—Mo—Au. Контактный, адгезионный и буферный слои наносят методом тонкопленочной технологии, а платиновые или золотые балки наращивают из растворов электролитов.

Паучковые выводы (рис. 23) формируются из тонкой (25..75 мкм) мед­ной, коваровой или алюминиевой фольги с золотым или никелевым покры­тием механическим способом (вырубка штампом) или химическим локаль­ным травлением с использованием фотолитографии. Число и расположение выводов соответствует числу и расположению контактных площадок микро­схемы, с которыми они будут соединены. До и в процессе присоединения системы паучковых выводов с контактными площадками выводы составляют единое целое с металлической рамкой или лентой, в которой они сформиро­ваны. После одновременного группового присоединения всех выводов ко всем контактным площадкам можно вслед за герметизацией кристалла обру­бить лишние части рамки. Проверка параметров микросхемы и качества со­единений путем электрических измерений в этой конструкции возможны только после вырубки выводов.

При использовании непрерывной металлической ленты возможна вытяжка тонкой фольги, механические повреждения и перегибы паучковых выводов. Для увеличения их механической прочности, удобства тестирования и сборки применяют конструкции с использованием гибкого диэлектрического носителя (рис. 24). Таким носителем служат ленты из полиимида, лавсана, полиэфира толщиной 40... 120 мкм с перфорацией для осуществления автома­тической подачи кадров этой ленты при формировании рисунка паучковых выводов в нанесенной на гибкую ленту-носитель медной или алюминиевой фольге. Чаще других используются конструкции паучковых выводов, сфор­мированные на основе полиимидной пленки толщиной 40...50 мкм с накатан­ной на пленку медной фольгой толщиной 35 мкм. Для закрепления фольги на пленке перед накаткой на ленту наносят специальные клеи или адгезивы. Формирование паучковых выводов осуществляется после фотолитографии травлением медной фольги. Помимо перфорированных отверстий в поли­имидной пленке локально протравливают сквозные отверстия, над которыми нависают внешние концы паучковых выводов и через которые осуществляет­ся присоединение паучковых выводов микросхемы к коммутационной плате при сборке аппаратуры. Для контроля параметров микросхемы на концах вы­водов предусматриваются контактные площадки.

Присоединение паучковых выводов к кристаллу ИС приходится прово­дить с использованием промежуточных жестких шариковых или столбико­вых выводов (рис. 22, б) из-за невозможности присоединения плоского выво­да к контактной площадке через окно в слое защитного диэлектрика. Пер­спективна конструкция паучковых выводов, на внутренних, обращенных к кристаллу, концах которых имеются обтравленные выступы толщиной около 30 мкм, благодаря которым отпадает необходимость в формировании жест­ких выводов (рис. 25). Кроме того, на внешних концах паучковых выводов можно сформировать утолщение, доводящее толщину паучкового вывода до 60...70 мкм, повышающее его жесткость.

Рис. 24. Ленты-носители кристаллов с паучковыми выводами:

а — гибкая лента со сформированными из фольги выводами; б — лента-носитель с установленными кристаллами БИС и присоединенными выводами; в —конструкция ленты-носителя;

1 — столбиковый вывод; 2— паучковый алюминиевый или медный вывод; 3— полиимидная пленка-носитель; 4— кристалл; 5— контактная площадка для контроля параметров микросхемы; 6—перфорационное отверстие, 7— защитный компаунд

Рис. 25. Паучковые выводы с контактными выступами

В микросхемах на МДП-транзисторах в качестве элементов коммутации используют высоколегированные диффузионные шины с низкими значения­ми сопротивления. Эти шины изолированы от объема полупроводниковой подложки обратносмещенным р-n переходом (рис. 26), а сверху покрыты изолирующей пленкой SiO₂, по поверхности которой прокладываются метал­лические проводящие дорожки (алюминий) в направлении, перпендикуляр­ном расположению диффузионных шин. При использовании в качестве за­творов поликристаллического кремния создается еще один (третий) уровень разводки. Для этого проводящие дорожки формируют при диффузионном или ионном легировании пленок поликремния. Удельное поверхностное со­противление токоведущих сигнальных шин в МДП БИС имеет следующее значение: для алюминиевых шин р_s<0,05 Ом/Кв, для диффузионных шин р⁺-типа р_s≤50 Om/Кв, для диффузионных шин n⁺-типа р_s≤10 Ом/Кв, для шин из поликристаллического кремния p_s <40 Ом/Кв.

Рис. 26. Элементы коммутации в полупроводниковой микросхеме на МДП-транзисторах с алюминиевыми затворами:

1 — металлизация обратной стороны подложки; 2— монокристаллический кремний n-типа; 3— пленка SiO₂; 4 — алюминиевая шина коммутации

По мере того как минимальный размер элементов СБИС уменьшается до микрометра и менее, возникают новые требования к материалам и техноло­гии создания разводки.

Предназначенные для создания затворов и соединяющих их шин развод­ки пленки поликристаллического кремния (ППК) дают существенными преимуществами: низкие пороговое напряжение и контактное сопротивление с шинами других уровней разводки и с монокристаллическим кремнием; плав­ное перекрытие крутых ступенек; стабильность границ раздела ППК — оки­сел, ППК— кремний; высокая разрешающая способность литографических процессов.

Однако при ширине дорожек менее 2 мкм высокое сопротивление огра­ничивает применение ППК. Усилия по снижению p_s ППК методами легиро­вания и термических рекристаллизационньгх обработок не дали существен­ных результатов: р_s не удалось снизить больше чем до 10...20 Om/Кв.

Уменьшить сопротивление разводки можно, применив пленки тугоплав­ких металлов или их силицидов (рис. 27). Они имеют низкое поверхностное сопротивление; наносимые поверх ППК (рис. 28), они играют роль шунта поликремниевой шины разводки. Металлические молибденовые или вольфрамовые шунты требуют нанесения защитного слоя, предотвращающего их от окисления. У вольфрамовых пленок при толщине 0,12 мкм р_s=1 Ом/Кв. По­скольку химическое или иное травление пленок Мо и W — процесс слож­ный, а на заключительных этапах создания микросхем на МДП-транзисторах даже нежелательный, разработаны методы селективного осаждения этих ма­териалов на поверхность ППК.

Силициды тугоплавких металлов привлекают к себе все большее внима­ние как материалы для соединительных проводников БИС и СБИС. Наиболее перспективны силицид молибдена и силицид вольфрама. Использованный для формирования затворов и разводки силицид молибдена MoSi₂ при тол­щине пленки 0,3 мкм имеет р_s≈3,5 Ом/Кв. Столь низкое удельное поверхно­стное сопротивление дозволяет уменьшить задержку, из-за распределенных сопротивлений и емкостей в линиях связи примерно в десять раз по сравне­нию c задержкой, свойственной приборам с поликремниевыми затворами и разводкой.

При создании соединений между элементами БИС возникают собствен­ные требования. В первую очередь речь идет об устойчивости к электроми­грации при высоких плотностях тока, равномерном плавном перекрытии ступенек в слое диэлектрика, об устойчивости к коррозии и о возможности хорошей приварки проволочных выводов.

Оценки показывают, что при размерах элементов, характерных для се­годняшнего дня, алюминиевые сплавы обладают преимуществами. Однако с уменьшением ширины дорожек до 1 мкм существенную роль начинают иг­рать три недостатка: ограниченные возможности алюминия с точки зрения пропускания через него тока, его недостаточно стабильный контакт с крем­нием и его склонность к коррозии.

Рис. 27. Предельные возможности различных систем металлизации для выполнения элементов коммутации и затворов МДП-микросхем

Рис. 28. Коммутация в МДП БИС с использованием легированного поликремния (а) и поликремния с шунтом из тугоплавких переходных металлов (W, Мо) или их силицидов (б):

1 — кремниевая подложка; 2—пленка SiO₂; 3 —пленка поликристаллического кремния; 4— пленка переходного металла (или силицида)

Любая возможная замена алюминия имеет свои недостатки, но вольф­рам обладает наиболее перспективным сочетанием свойств. Вольфрам, по-видимому, будет наиболее перспективным металлом для создания разводки.

Ни одно рассмотрение перспективной технологии создания разводки не будет полным, если не уделить внимание диэлектрикам, разделяющим слои разводки. Требования к этим диэлектрикам сформулировать легко: пленки не должны иметь значительных механических напряжений и должны быть ус­тойчивыми к растрескиванию, они должны содержать минимум дефектов, обеспечивать гладкую поверхность. К методам сглаживания рельефа диэлек­трических пленок, наносимых на металлические дорожки, проявляется зна­чительный интерес. Предпочтение отдается низким температурам осаждения и отжига. Пленка должна быть барьером для переноса примесей и обладать низкой диэлектрической постоянной.

В основном в качестве межслойных диэлектриков применяют пленки SiO₂, осажденные из газовой фазы и из плазмы, а также пленки нитрида кремния, фосфоросиликатного и борофосфоросиликатных стекол. К. этому следует добавить полиимидные пленки, особенно с учетом того, что они позволяют улучшить планарность.

Дата добавления: 2014-01-15