Основы технологии микромонтажа интегральных схем

Основы технологии
микромонтажа 
интегральных схем

Москва, 2023

А. И. Белоус, В. А. Емельянов

2-е издание, электронное

УДК 621.3.049.77
ББК 32.844.1
Б35

Б35
Белоус, Анатолий Иванович.
Основы технологии микромонтажа интегральных схем / А. И. Белоус, В. А. Емельянов. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 317 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. 
требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : 
электронный.

ISBN 978-5-89818-387-5
Эволюция изделий интегральной микроэлектроники неотделима от прогресса в области 
технологии корпусирования интегральных микросхем, которую еще 10—15 лет тому назад 
относили к разряду второстепенных, не требующих проведения широкомасштабных научных 
исследований и базирующихся на использовании возможностей имеющегося парка сборочного оборудования. За этот период решены многие находившиеся в центре внимания существенные проблемы в области микроэлектроники. В данный же момент наблюдается резкое повышение интереса ученых и специалистов серийных производств к технике корпусирования 
современных изделий интегральной микроэлектроники — больших интегральных схем (БИС) 
и сверхбольших интегральных микросхем (СБИС), в которой центральное место занимает 
микромонтаж кристаллов.
В книге обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований физико-химических свойств тонких пленок, наносимых на кристаллы, рассмотрены базовые элементы корпусов и выводных рамок БИС, детально оговорены особенности технологического 
процесса микромонтажа кристаллов, описаны состав и особенности функционирования используемого при микромонтаже технологического оборудования.
Книга написана простым и понятным языком и, несомненно, найдет признание среди 
специалистов по микроэлектронике, поскольку издания по представленному профилю являются достаточно редкими и весьма востребованными как в отечественной печати, так и за 
рубежом.

УДК 621.3.049.77 
ББК 32.844.1

Электронное издание на основе печатного издания: Основы технологии микромонтажа интегральных 
схем / А. И. Белоус, В. А. Емельянов. — Москва : ДМК Пресс, 2013. — 316 с. — ISBN 978-5-94074-864-9. — 
Текст : непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы 
то ни было средствами без  письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все 
равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских 
прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-387-5
©  Белоус А. И., Емельянов В. А., 2013
© Оформление, ДМК Пресс, 2013

Содержание

Введение ...................................................................................................................6

 Глава 1

Особенностии тонкопленочных покрытий 
для кристаллов БИС ............................................................................................9
1.1. Планарные контакты, межэлементные соединения и контактные 
площадки на основе алюминия  ..........................................................................10
1.2. Тонкопленочные покрытия на основе благородных металлов, 
никеля и бинарных сплавов .................................................................................25
1.3. Эксплуатационные характеристики тонкопленочных покрытий 
кристаллов БИС ....................................................................................................32
1.3.1. Коррозионная устойчивость тонкопленочных покрытий 
кристаллов ......................................................................................................32
1.3.2. Процессы электромиграции в слоях металлизации на основе 
сплавов алюминия ..........................................................................................37
1.4. Особенности проволочного микромонтажа кристаллов БИС .................44
1.5. Аппаратное обеспечение сопряженных с микромонтажом 
технологических процессов ...............................................................................56
1.5.1. Типовая структура производственных автоматических линий 
нанесения гальванопокрытий .......................................................................57
1.5.2. Оборудование для локального нанесения покрытий .......................59
1.5.3. Источники питания гальванических ванн  ......................................... 60
1.6. Выводы ...........................................................................................................62

 Глава 2

Особенности разработки процессов формирования 
функциональных тонкопленочных покрытий 
для микромонтажа кристаллов БИС .........................................................64
2.1. Концепция воспроизводимого микромонтажа кристаллов 
в производстве изделий микроэлектроники .....................................................64

Содержание

2.2. Моделирование процесса термической обработки 
планарных тонкопленочных покрытий с помощью ИК-излучения ...................74
2.3. Выводы  ..........................................................................................................81

 Глава 3

Методы формирования и исследования функциональных 
тонкопленочных покрытий ...........................................................................82
3.1. Формирование элементов планарных тонкопленочных покрытий ..........82
3.1.1. Формирование пленок алюминия для систем двухуровневой 
металлизации ..................................................................................................82
3.1.2. Особенности формирования углеродо- и алмазоподобных 
пленок при лазерном и ионном стимулировании процессов ...................89
3.1.3. Методы формирования тонкопленочных покрытий 
при стимулирующем лазерном воздействии ..............................................93
3.2. Особенности формирования непланарных тонкопленочных 
покрытий кристаллов БИС ................................................................................ 100
3.3. Методы микромонтажа кристаллов БИС .................................................. 105
3.3.1. Ультразвуковая микросварка и микромонтаж кристаллов 
на ленточных носителях по стандартам фирмы «LG» ............................... 105
3.3.2. Термозвуковая микросварка золотой проволокой на медных 
рамках .......................................................................................................... 111
3.3.3. Моделирование и оптимизация процесса ультразвуковой 
микросварки алюминиевых проволочных выводов на покрытиях 
из сплава никель–индий ..............................................................................113
3.3.4. Токовая стимуляция ультразвуковой сварки алюминиевых 
выводов на никелевых покрытиях .............................................................. 119
3.4. Основные методики и результаты исследования технологических 
характеристик функциональных тонкопленочных покрытий 
и испытания прочности микромонтажных соединений ..................................125
3.5. Выводы ........................................................................................................ 140

 Глава 4

Состав, структура, физические свойства функциональных 
тонкопленочных покрытий  ........................................................................143
4.1. Планарные тонкопленочные покрытия на основе алюминия, 
меди и углерода .................................................................................................143
4.1.1. Морфология, микроструктура и устойчивость к образованию 
бугорков металлизации на основе сплавов алюминия .............................143
4.1.2. Электрофизические характеристики элементов первого 
и второго уровней разводки ......................................................................156
4.1.3. Устойчивость к коррозии металлизации на основе сплавов 
алюминия  .................................................................................................... 169

Содержание

4.1.4. Устойчивость к электромиграции металлизации на основе 
сплавов алюминия  .......................................................................................172
4.2. Непланарные тонкопленочные покрытия на основе золота, 
сплавов никеля и олова ..................................................................................... 179
4.2.1. Кинетика и механизм катодного осаждения тонких пленок 
золота ........................................................................................................... 179
4.2.2. Интенсификация процесса электроосаждения тонких пленок 
сплавов олова ...............................................................................................205
4.2.3. Закономерности формирования и свойства тонких пленок 
сплава никель–индий и слоистых структур на основе никеля ................ 210
4.3. Выводы .........................................................................................................218

 Глава 5

Методы оценки качества микромонтажных соединений .......... 220
5.1. Стабильность характеристик соединений, полученных 
термокомпрессионной и ультразвуковой сваркой ....................................... 220
5.2. Влияние на качество микромонтажных соединений 
толщины золотого покрытия и подготовительных операций .........................235
5.3. Влияние свойств и условий формирования никелевых покрытий 
элементов корпусов БИС на качество микросварных соединений ..............241
5.4. Выводы .........................................................................................................246

 Глава 6

Базовое технологическое оборудование 
для формирования функциональных тонкопленочных 
покрытий и микромонтажа кристаллов ...............................................248
6.1. Устройство импульсной активации ультразвуковой 
микросварки и гальваническая магнитная подвеска .......................................248
6.2. Устройства для формирования высококачественных 
электрохимических покрытий ...........................................................................252
6.3. Базовые конструктивно-технологические решения освоенных 
в серийном производстве изделий микроэлектроники  ............................... 270
6.4. Технико-экономическая эффективность промышленного 
использования разработанных технологий выпуска 
конкурентоспособных изделий  .......................................................................289
6.5. Выводы .........................................................................................................292

Заключение .........................................................................................................293

Список литературы .........................................................................................297

Введение

Эволюция изделий интегральной микроэлектроники неотделима от 
прогресса в области техники корпусирования интегральных микросхем, которую еще 12–15 лет тому назад в отечественной электронной промышленности относили к разряду второстепенных, не требующих проведения широкомасштабных научных исследований и 
базирующихся на использовании возможностей имеющегося парка 
сборочного оборудования. За этот период решены многие находившиеся в центре внимания существенные проблемы по автоматизированному проектированию интегральных микросхем и по технологии формирования базовых элементов конструкции кремниевых 
крис таллов (чипов) с локальными легированными и встроенными 
ди электрическими областями, которые имеют систему тонкопленочных контактов и межэлементных соединений на лицевой или же планарной стороне [1–10].
Резкое повышение интереса к технике корпусирования современных изделий интегральной микроэлектроники – больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных микросхем 
(СБИС), – в которой центральное место занимает микромонтаж кристаллов, обусловлено в настоящее время следующими основными 
причинами.
Во-первых, достигнутые успехи в изготовлении кристаллов высокой функциональной сложности и степени интеграции становится 
трудно реализовать без принципиального совершенствования системы соединений в составе аппаратуры в целом, если рассматривать 
проблему комплексной микроминиатюризации аппаратуры. Действительно, согласно правилу Рента, число необходимых сигнальных выводов (входов-выходов БИС) равно n = 4,5m0,4, где m – число 
вентилей в кристаллe [11]. Добавив число выводов шин питания и 
заземления, составляющих до 25% от расчетного числа сигнальных 
выводов, получаем, что для современных схем памяти и логических 

Введение

схем, содержащих порядка 2500–7000 вентилей, число внешних выводов достигает 200. В ряде случаев разработчики вынуждены даже 
идти на некоторое функциональное усложнение схемы, если оно позволяет сократить число внешних выводов.
Во-вторых, несмотря на заметные успехи в масштабировании 
элементов БИС и использование микромощных режимов их работы, возрастание функциональной сложности кристаллов, сопровождающееся вместе с тем увеличением их габаритных размеров, все же 
приводит к росту рассеиваемой мощности. Заметной стала проблема 
обеспечения эффективного теплоотвода. Особенно резкий скачок 
в изменении указанных показателей отмечается за последние 5–6 лет. 
Поэтому конструктивная реализация современных БИС недостижима без увеличения габаритов всего корпуса, что, впрочем, не отвечает 
требованиям повышения быстродействия из-за роста распределенных паразитных сопротивлений и емкостей вследствие удлинения 
токоведущих элементов.
В-третьих, важнейшие проблемы микромонтажа кристаллов связаны с унификацией и автоматизацией технологических процессов, 
что является следствием жестких требований к их высокой воспроизводимости в серийном производстве конкурентоспособных изделий микроэлектроники. Без достижения высокого процента выхода 
годных на этом блоке операций (по стандартам корпорации Fujitsu – 
98–99%) невозможно вести речь о международной деловой и технологической кооперации.
В-четвертых, ряд проблем микромонтажа кристаллов вытекает из 
задачи снижения стоимости сборочных операций и стоимости всего 
изделия за счeт уменьшения расхода драгоценных металлов и кобальтсодержащих сплавов. 
На наш взгляд, принципиальный подход к решению накопившихся научно-технических проблем микромонтажа кристаллов 
заключается в разработке адекватных современным требованиям 
тонкопленочных покрытий и технологий их формирования, а также 
соответствующих методов подсоединения микропроволочных и балочных выводов и создания твердотельных соединений кристалла с 
основанием корпуса таким образом, чтобы фактически реализовать 
важнейшую задачу интегральной технологии – создание твердотельной структуры в системе «полупроводниковый кристалл – внешние 
выводы корпуса БИС».
Действительно, до настоящего времени разработки в области тонкопленочных покрытий выполнялись в основном с целью решения 

Введение
8

каких-либо отдельных задач, например повышения устойчивости к 
электромиграции [12], возможности реализации самосовмещения затвора с областями истока и стока МОП-транзисторов в составе БИС, 
снижения электросопротивления словарных шин благодаря использованию низкоомных силицидов тугоплавких металлов [13] и т. д.
К настоящему времени в научно-технической литературе и патентных источниках не приводится достаточно систематизированных сведений по технологическим закономерностям формирования 
такого класса покрытий, результатам комплексного исследования 
свойств получаемых пленочных покрытий. В большинстве публикаций ведущих западных фирм, производящих оборудование высокого 
класса для достижения указанных целей, эти составляющие «ноухау» вопросы остаются за рамками рекламных сообщений [14, 15].
Таким образом, проблема получения высококачественных функциональных тонкопленочных покрытий с высокой воспроизводимостью свойств, отвечающих требованиям к операциям микромонтажа 
кристалла, является актуальной и требует комплексного решения 
целого ряда задач, в том числе по обоснованному выбору материалов 
и пленочных структур на основе недефицитных металлов и сплавов, 
оптимизации режимов реализации технологического процесса нанесения покрытий и посадки кристаллов на основания корпуса (выводную рамку) в условиях обеспечения наивысшей производительности процесса изготовления и качества изделий микроэлектроники 
[16, 17].

За последние два десятилетия в области технологии тонкопленочных 
покрытий на непланарной и особенно планарной (лицевой) стороне 
кристаллов для так называемых тонкопленочных систем металлизации (ТСМ) накоплен значительный опыт использования различных 
проводящих материалов, новых технологических процессов и маршрутов применительно к широкому классу изделий микроэлектроники, определяющих, по сути дела, конструктивно-технологические 
особенности ТСМ, а также микромонтажа кристаллов. Масштабирование БИС и СБИС, возрастание требований к их качеству, технологичности и надежности приводит к ужесточению и появлению 
новых требований, которым должны удовлетворять ТСМ. Например, 
при масштабировании БИС в m раз сопротивление пленочных проводников возрастает в 1/m раз (даже без учeта вертикального масштабирования), а переходное сопротивление контактов – в 1/m
2 раз. 
Свидетельствами большого внимания к проблеме получения высококачественных ТСМ являются резко возросший поток научных 
публикаций и сообщений на конференциях и симпозиумах, а также 
развертывание работ по республиканским научно-техническим программам, таким как «Белэлектроника», «Материалы» и др. Среди основополагающих работ отечественных ученых в этой области можно 
отметить публикации [1–6], включенные в библиографию.

Особенностии 
тонкопленочных 
покрытий 
для кристаллов БИС
1

Особенности тонкопленочных покрытий для кристаллов БИС
10

1.1. Планарные контакты, 
межэлементные соединения 
и контактные площадки на основе 
алюминия 

Поэтапное уменьшение топологических размеров элементов ТСМ 
и толщины отдельных слоев (масштабирование) тонкопленочных 
структур на планарной стороне кристаллов (чипов) в различных изделиях микроэлектроники, наряду с ужесточающимися требованиями к их электрофизическим свойствам и надежности, а также к технологичности процесса микромонтажа изготовленных кристаллов, 
обусловливают повышенное вни мание к ним как разработчиков, так 
и технологов. Среди этих элементов можно выделить получившие 
наибольшее распространение ТСМ на основе алюминия и его сплавов (Al-Si, Al-Si-Cu), используемые для формирования планарных 
омических контактов и диодов Шоттки, межэлементных соединений 
и контактных площадок для подсоединения балочных выводов. Находят также применение и многослойные ТСМ на базе алюминия 
с использованием в качестве промежуточных слоев тугоплавких переходных металлов [1].
Структурные и фазовые превращения в многослойных ТСМ в результате высокотемпературных технологических и эксплуатационных воздействий определяют принципы и критерии выбора материалов слоев, их толщины и однородности по составу, а также методов 
формирования отдельных слоев. Важным фактором при разработке 
технологических процессов формирования многослойных ТСМ является принцип самосовмещения, который выдвигает определенные 
требования как к самим материалам слоев, так и к технологии их 
формирования, особенно в сложных структурах БИС с проектными 
нормами ~1,0÷1,5 мкм и глубиной залегания р-n-перехода на уровне 
0,15 мкм.
Учитывая функциональные задачи, выполняемые отдельными 
слоями, многослойный планарный контакт к локальным областям 
кремния в общем случае можно представить в виде конструктивно 
и технологически взаимосвязанных слоев: контактного, барьерного, 
основного токопроводящего, пассивирующего, разделительного диэлектрического и др., при этом полагается, что самыми ответственными из них, с точки зрения воспроизводимости микросборки крис